JP7037970B2 - ロータ、回転電機及びロータの磁石取付方法 - Google Patents

Description

本発明は、ロータ、回転電機及びロータの磁石取付方法に関する。

ＳＰＭ式回転電機（例えば、表面磁石型同期モータ：Surface Permanent Magnet Synchronous Motor）では、磁石がロータの表面に設けられている。そこで、当該ロータでは、磁石が遠心力で飛散しないように磁石の外表面上に炭素繊維などで構成される補強材を巻いている（特許文献１参照）。

特開２０１１－１８８６１２号公報

しかしながら、前記特許文献１の技術は、磁石も含めてロータの外表面に単純に補強材を巻いているだけである。そのため、かかる技術では、磁石が遠心力で飛び出すのを防止するために、補強材の張力を効果的に使うことができていない。よって、前記特許文献１の技術では、補強材で磁石を効果的にロータコアにとどめておくことができないという不具合がある。

本発明の課題は、磁石保持部の張力を効果的に使って、磁石を効果的にロータコア上に保持させることができるロータ、回転電機及びロータの磁石取付方法を提供することである。

本発明のロータは、ＳＰＭ式回転電機のロータであって、ロータコアと、前記ロータコアの周面に設けられる磁石と、前記磁石を前記周面に保持させる磁石保持部とを備え、前記磁石保持部は、前記ロータコアの周面から半径方向内部にかけて形成された複数の溝部と、前記磁石を前記周面上で覆って当該磁石を当該周面上に保持し、当該覆う部分の両端側がそれぞれ異なる前記溝部内に入り込んでいる保持具と、前記各溝部の前記ロータコアの奥側に設けられ前記保持具が当該溝部から抜け出すのを防止するように当該保持具を止着する止着部と、を備え、前記止着部は、前記ロータコアの周方向に千鳥状に複数個配置されていることを特徴とする。

別の本発明のロータの磁石取付方法は、周面から半径方向内部にかけて複数の溝部が形成されたロータコアの一つの前記溝部に保持具を２枚折りして収納する第１収納工程と、前記保持具を収納した溝部の奥側に設けられた止着部で当該保持具を止着する第１止着工程と、前記保持具を止着した溝部である止着溝部と当該止着溝部に隣接する前記溝部である隣接溝部の２つの溝部間に位置する前記周面上に磁極を構成するための磁石を配置する配置工程と、前記隣接溝部に前記止着溝部から飛び出している前記保持具の２枚折りの一枚を再度２枚折りして収納する第２収納工程と、前記保持具で前記磁石を前記周面に押さえつけた状態で、前記隣接溝部の奥側に設けられた止着部で当該保持具を止着する第２止着工程とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、磁石保持部の張力を効果的に使って、磁石を効果的にロータコア上に保持させることができるロータ、回転電機及びロータの磁石取付方法を提供できる。

本発明の一実施形態に係るロータの斜視図である。 （ａ）は、本発明の一実施形態に係るロータを径方向に切断した部分断面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＡ部分（１つの磁極部分）の拡大図である。 本発明の一実施形態に係るロータの磁石取付方法の第２工程を説明するロータコアの部分断面図である。 本発明の一実施形態に係るロータの磁石取付方法の予備工程を説明するロータコアの部分断面図である。 本発明の一実施形態に係るロータの磁石取付方法の第３工程を説明するロータコアの部分断面図である。 本発明の一実施形態に係るロータの磁石取付方法の第３工程を説明するロータコアの部分断面図である。 本発明の一実施形態に係るロータの磁石取付方法の第４工程を説明するロータコアの部分断面図である。 本発明の一実施形態に係るロータの磁石取付方法の第４工程を説明するロータコアの部分断面図である。 本発明の一実施形態に係るロータの磁石取付方法の第５工程及び第６工程を説明するロータコアの部分断面図である。 本発明の一実施形態に係るロータの磁石取付方法の第７工程を説明するロータコアの部分断面図である。 本発明の一実施形態に係るロータの作用効果を説明するロータの単一の磁極部分の径方向断面図である。 本発明の一実施形態に対する比較例であるロータの作用効果を説明するロータの部分断面図である。

以下本発明の一実施形態について図面を参照しつつ説明する。
図１は、本実施形態に係るＳＰＭ式回転電機、ここでは表面磁石型同期モータ（ＳＰＭＳＭ：Surface Permanent Magnet Synchronous Motor）のロータ１の斜視図である。このロータ１は、表面磁石型同期モータのインナーロータであり、回転軸２と、この回転中心としての回転軸２に固定された円柱状のロータコア３とを備えている。
ロータコア３の周面３ａには、例えば４つの磁極４が設けられている。各磁極４は、例えば６本の磁石１１を連続的にロータコア３の周方向に並べて形成されている。各磁石１１は、ロータコア３の長さと略同じ長さである。

図２（ａ）は、ロータ１を径方向に切断した部分断面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ部分（１つの磁極４部分）の拡大図である。各磁極４が形成されるロータコア３の周面３ａには、磁石１１を収納する凹状の磁石収納凹部３ｂが形成されている。そして、各磁石収納凹部３ｂには、各６本の磁石１１が収納され、磁石保持部１２によってロータコア３の周面３ａ（磁石収納凹部３ｂ内）に保持されている。
磁石保持部１２は、溝部１３、保持具１４及び止着部１５を備えている。

まず、磁石保持部１２は、ロータコア３の周面３ａから半径方向内部にかけて形成された複数の溝部１３を備えている。溝部１３は、磁石収納凹部３ｂ内に形成されている。本例では磁極４ごとに７本の溝部１３が形成されている。すなわち、各磁極４における溝部１３の本数は当該磁極４に設けられた磁石１１の数より１本多い。この各溝部１３は、長手方向がロータコア３の長手方向であり、ロータコア３の長さの端から端まで形成されている。各磁極４において、隣り合う溝部１３同士の間隔は略同じである。そして、各磁極４において、各溝部１３の深さは、ロータコア３の周方向に浅いものと深いものが交互に出現する。

保持具１４は、シート状の部材であり、例えば炭素繊維など、可撓性を有する強靭な材料で形成されている。保持具１４は、各磁石１１をロータコア３の周面３ａ上で覆って磁石１１を周面３ａ上に保持している。保持具１４は、各磁石１１を覆う部分の両端１４ａ，１４ａ側がそれぞれ隣り合う溝部１３，１３内に入り込んでいる。具体的には、保持具１４は２枚折りして各溝部１３内に入り込んでいる。そして、少なくとも単一の磁極４においては、全ての溝部１３に１枚の保持具１４が入り込んでいる。なお、全ての磁極４において、１枚の保持具１４を各溝部１３に入れるようにしてもよい。

また、各溝部１３のロータコア３の奥側、例えば最深部には、保持具１４が当該溝部１３から抜け出すのを防止するように保持具１４を止着する止着部１５が設けられている。すなわち、各溝部１３の最深部には当該溝部１３の幅より直径が長い径方向断面が略円形である孔である円筒１５ａが形成されている。この円筒１５ａの長手方向はロータ１の長手方向と同じである。２枚折りした保持具１４の折られている部分は円筒１５ａ内で当該円筒１５ａの内周面に沿うように拡がっている。これにより、保持具１４の２枚折り部分も円筒形状をなしていて、その内部には、拡径部材１５ｂが長手方向を円筒１５ａの長手方向として収納されている。すなわち、拡径部材１５ｂは、例えばコイルスプリングのような部材であり、円筒１５ａ内で保持具１４の２つ折り部分の内側で弾性的に拡径している。これにより、拡径部材１５ｂは、保持具１４を円筒状に拡げて円筒１５ａの内周面に保持具１４を押しつけている。円筒１５ａは溝部１３の幅より直径が長いため、ロータコア３の外部から保持具１４が引っ張られても拡径部材１５ｂが円筒１５ａ内で突っ張る。そのため、保持具１４は溝部１３内から抜けず、保持具１４は止着部１５により止着される。

各磁極４において、各止着部１５は、ロータコア３の周方向に千鳥状に配置されている。すなわち、各磁極４において、周方向に視て各止着部１５は浅い溝部１３の最深部に設けられているものと、深い溝部の最深部に設けられているものとが交互に出現する。なお、各止着部１５は、溝部１３の最深部に設けられている必要は必ずしもなく、溝部１３の深さの中間地点に設けられていてもよい。

このようにして、単一の磁極４に対して複数個、本例で６個の磁石１１が磁石保持部１２によりロータコア３の周面３ａ（磁石収納凹部３ｂ内）に保持される。単一の磁極４の各磁石１１を１枚の保持具１４で支持する場合、その磁極４におけるロータコア３の周方向両端側の各溝部１３内から１枚の保持具１４の両端部１４ｂ．１４ｂがはみ出す。この両端部１４ｂ，１４ｂは、接着その他の手段により、ロータコア３に止着して、溝部１３から保持具１４が飛び出さないようにするのが望ましい。また、全ての磁極４において１枚の保持具１４を使用する場合も、２つの溝部１３からそれぞれ保持具１４の端部がはみ出す。これもロータコア３にそれぞれ止着して、溝部１３から保持具１４が飛び出さないようにするのが望ましい。

次に、前記の構造のロータ１を製造するためのロータの磁石取付方法について説明する。ロータの磁石取付方法は、第１工程から第７工程までの各工程を順次行うことにより実施する。
（１）第１工程
ロータの磁石取付方法で必要なのは、前記の構造のロータコア３、保持具１４、拡径部材１５ｂ、さらに細いワイヤ５１（図３Ａ）である。作業者はこれらを準備する。

（２）第２工程（第１収納工程）
図３Ａに示すように、作業者は保持具１４を磁極４の一番端に位置する溝部１３内に挿入する（矢印ａ）。この場合、溝部１３が狭いので、保持具１４にワイヤ５１を掛けて円筒１５ａに達するまでワイヤ５１を溝部１３に通すことで保持具１４を挿入する。保持具１４にワイヤ５１を掛けて溝部１３内に押し通すに際しては、ワイヤ５１により保持具１４は２枚折りの状態になって溝部１３内に入っていく。
この場合に、溝部１３が狭くて、ワイヤ５１を使って保持具１４を挿入しにくい場合には、事前に第２工程の前の予備工程を行う。すなわち、作業者は「ロータコア３を、液体窒素等を用いて冷却し、図３Ｂに矢印ｂで示すように収縮させて、溝部１３の間隔を拡大する。

（３）第３工程
保持具１４が円筒１５ａまで達したら、図３Ｃに示すように、円筒１５ａ内で保持具１４を袋状に拡げる。この場合、保持具１４をロータコア３の外側から溝部１３を介して円筒１５ａ内に送り込むことによって保持具１４を袋状に拡げてもよい。あるいは、引き続きワイヤ５１を用いて、保持具１４を円筒１５ａの内周面に押しつけるようにしてもよい。図３Ｃではワイヤ５１を用いている。
これによって、作業者は、図３Ｄに示すように、円筒１５ａの内周面全面に保持具１４を接触させ、円筒１５ａ内で保持具１４を円筒状部１４ｃにする。

（４）第４工程（第１止着工程）
図３Ｅに示すように、作業者は、長手方向に引き延ばして径サイズを縮小した拡径部材１５ｂを、円筒状部１４ｃ内に挿入する。この拡径部材１５ｂの挿入は、可能であれば溝部１３内から行ってもよいし、ロータコア３の端面に形成されている円筒１５ａの開口から行ってもよい。

次に、図３Ｆに示すように、作業者は、拡径部材１５ｂの長手方向への引き延ばしを解除し、拡径部材１５ｂの径サイズを弾性的に拡大する。これにより、拡径部材１５ｂの径サイズが拡大し、保持具１４を円筒状部１４ｃの内周面に内側から押しつける。これにより、円筒状部１４ｃは円筒１５ａの内周面に内側から押しつけられる。円筒１５ａの直径は溝部１３の幅より長いため、円筒１５ａ内の保持具１４は溝部１３を通って円筒１５ａ外に抜けることはない。すなわち、円筒１５ａ内に止着部１５が形成される。

（５）第５工程（配置工程）
図３Ｇに示すように、止着部１５が形成された溝部１３と、当該止着溝部１３１と隣接する溝部との間に位置するロータコア３の周面３ａ上（磁石収納凹部３ｂ内）に磁石１１を配置する。止着部１５が形成された溝部１３は止着溝部１３１となり、これに隣接する溝部１３は隣接溝部１３２となる。
なお、磁石１１は、磁石収納凹部３ｂ内に接着剤その他の手段で固定することが望ましい。

（６）第６工程（第２収納工程）
図３Ｇに示すように、作業者は、第２工程と同様な方法によって、止着溝部１３１から飛び出している隣接溝部１３２側の保持具１４を隣接溝部１３２に挿入する。

（７）第７工程（第２止着工程）
図３Ｈに示すように、作業者は、第３工程及び第４工程と同様な方法によって、隣接溝部１３２の円筒１５ａ内に止着部１５を形成する。このとき、保持具１４を張って、保持具１４によって第５工程で配置した磁石１１をロータコア３の周面３ａ（磁石収納凹部３ｂ内）に押さえつけた状態とする。

以下、図３Ｈに示すように、第２工程～第７工程を繰り返すことにより、磁石収納凹部３ｂ内の一方側から他方側に順次１個ずつ磁石１１を取り付ける。本例で６個の磁石１１が取り付けられることにより、単一の磁極４が形成される。他の磁極４も同様の手段により形成する。

なお、単一の磁極４の各磁石１１を１枚の保持具１４で支持する場合、その磁極４におけるロータコア３の周方向両端側の各溝部１３内から１枚の保持具１４の両端部１４ｂ，１４ｂがはみ出す。この両端部１４ｂ，１４ｂは、接着その他の手段により、ロータコア３に止着して、溝部１３から保持具１４が飛び出さないようにするのが望ましい。また、全ての磁極４において１枚の保持具１４を使用する場合も、２つの溝部１３からそれぞれ保持具１４の端部がはみ出す。これもロータコア３にそれぞれ止着して、溝部１３から保持具１４が飛び出さないようにするのが望ましい。なお、保持具１４の両端部１４ｂ，１４ｂは、磁石１１に生じる遠心力を受けることがないので、当該両端部１４ｂ，１４ｂがロータコア３の周面３ａから剥がれるおそれはない。

次に、本実施形態のロータ１の作用効果について説明する。
図５（ａ）は、本実施形態のロータ１の比較例となるロータ１０１の正面図である。このロータ１０１は、円筒状のロータコア１０２の周面１０３に４個の磁極１０４が設けられている。ここでは、便宜上、単一の磁極１０４は単一の磁石で形成されているものとする。ロータコア１０２には回転軸１０５が設けられている。磁極１０４を含めたロータコア１０２の周面１０３の全体には炭素繊維のシート１０６が巻かれている。これによって、遠心力でロータコア１０２から磁極（磁石）１０４が脱落するのを、その張力で防止している。

図５（ｂ）は、ロータ１０１の単一の磁極（磁石）１０４とその磁極１０４を覆っているシート１０６の正面図である。矢印Ｆは、ロータ１０１の回転により磁極１０４にかかる遠心力を示している。また、矢印Ｔは、磁極１０４をロータコア１０２の周面１０３上に保持させる炭素繊維のシート１０６の張力を示している。

遠心力Ｆを張力Ｔで効果的に抑え込むには、張力Ｔの向きが遠心力Ｆの向きと真逆の向きになることが理想である。しかしながら、図（ｂ）に示すように、現実には、炭素繊維のシート１０６の幅方向はロータコア１０２の周面１０３の方向にある。そのため、炭素繊維のシート１０６による現実の張力Ｔと、前記の理想的な張力Ｔとの角度差は、図５（ｂ）に示す角度θである。当該角度θは大きな角度である。そのため、シート１０６の張力Ｔは磁極（磁石）１０４にかかる遠心力に抗して磁極（磁石）１０４をロータコア１０２にとどめるために効果的に使いきれてはいない。すなわち、張力Ｔの遠心力Ｆとは真逆である向きの成分の大きさは、張力Ｔの大きさに比べてだいぶ小さい。

これに対して、図４は、本実施形態のロータ１の単一の磁極４部分の径方向断面図である。なお、図４においては、便宜上、拡径部材１５ｂの図示は省略している。本実施形態では、遠心力Ｆに対抗する保持具１４の張力Ｔは、ロータコア３の半径方向下向きである（符号３１が半径の中心である）。本実施形態でも遠心力Ｆに最も効果的に対抗できる張力Ｔの向きは遠心力Ｆの向きと真逆の向きである。図４の例でも張力Ｔの向きは遠心力Ｆと真逆ではないが、その理想的な向きと現実の張力Ｔの向きとがなす角度θは、相当程度小さい。そのため、張力Ｔの遠心力Ｆとは真逆である向きの成分の大きさは、張力Ｔ自体の大きさと比べて大きな差はない。そのため、比較例のロータ１０１の場合におけるシート１０６に比べて、本実施形態のロータ１の保持具１４では、張力Ｔを効果的に活用して遠心力Ｆに対抗することができる。

また、保持具１４はシート状であるため、ワイヤ５１等を使用してロータコア３の溝部１３内に入れ易くすることができる。
さらに、単一の磁極４に対して複数個、前記の例で６個の磁石１１が磁石保持部１２によりロータコア３の周面３ａに保持される。そのため、個々の磁石１１におけるロータコア３の周方向の幅は短い。よって、前記の角度θを小さくすることができるので、この点でも、張力Ｔを効果的に活用して遠心力Ｆに対抗することができる。
また、単一の磁極４に対して複数個の磁石１１に分割され、保持具１４で仕切られているため、各磁石１１におけるロータコア３の周方向の断面積は狭い。よって、磁石１１に発生する渦電流を低減し、磁石１１の発熱を抑制することができる。

さらに、各磁極４において、止着部１５は、ロータコア３の周方向に千鳥状に配列されている。すなわち、止着部１５が位置するロータコア３の深さは交互に浅くなったり深くなったりしている。そのため、止着部１５のロータコア３内での深さが一律である場合、同じ深さに数多くの円筒１５ａが形成されることになる。これと比較して、本実施形態のロータ１はロータコア３の機械的強度を高めることができる。
その上、止着部１５は、各溝部１３に設けられ、溝部１３の幅より直径の長い円筒１５ａ内に収納されてその内部で拡径できる拡径部材１５ｂで保持具１４を止着している。よって、磁石収納凹部３ｂ内での磁石１１の保持作業を容易に行うことができる。

なお、本発明は、以上説明した本実施形態に限定されるものでないことは言うまでもない。例えば、前記の例では、各磁極４は磁石１１を６個使用しているが、５個以下でもよいし、７個以上でもよい。
さらに、前記実施形態はインナーロータ型のロータ１に本発明を適用しているが、アウターロータ型のロータの各磁極に前記のような構成の磁極４を用いるようにしてもよい。

１ ロータ
３ ロータコア
４ 磁極
３ａ 周面
１１ 磁石
１２ 磁石保持部
１３ 溝部
１４ 保持具
１４ａ 両端
１５ 止着部
１５ａ 孔（円筒）
１５ｂ 拡径部材
１３１ 止着溝部
１３２ 隣接溝部

Claims (7)

1. ＳＰＭ式回転電機のロータであって、
   ロータコアと、
   前記ロータコアの周面に設けられる磁石と、
   前記磁石を前記周面に保持させる磁石保持部とを備え、
   前記磁石保持部は、
   前記ロータコアの周面から半径方向内部にかけて形成された複数の溝部と、
   前記磁石を前記周面上で覆って当該磁石を当該周面上に保持し、当該覆う部分の両端側がそれぞれ異なる前記溝部内に入り込んでいる保持具と、
   前記各溝部の前記ロータコアの奥側に設けられ前記保持具が当該溝部から抜け出すのを防止するように当該保持具を止着する止着部と、を備え、
   前記止着部は、前記ロータコアの周方向に千鳥状に複数個配置されている
   ことを特徴とするロータ。
2. 前記保持具は、シート状の部材であることを特徴とする請求項１に記載のロータ。
3. 単一の磁極に対して複数個の前記磁石が前記磁石保持部により前記周面に保持されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のロータ。
4. 前記止着部は、前記各溝部に設けられ当該溝部の幅より直径の長い孔内に収納されて前記孔内で拡径できる拡径部材で前記保持具を止着することを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れかの一項に記載のロータ。
5. 請求項１乃至請求項４の何れかの一項に記載のロータを備えることを特徴とする回転電機。
6. 周面から半径方向内部にかけて複数の溝部が形成されたロータコアの一つの前記溝部に保持具を２枚折りして収納する第１収納工程と、
   前記保持具を収納した溝部の奥側に設けられ前記ロータコアの周方向に千鳥状に複数個配置した止着部で当該保持具を止着する第１止着工程と、
   前記保持具を止着した溝部である止着溝部と当該止着溝部に隣接する前記溝部である隣接溝部の２つの溝部間に位置する前記周面上に磁極を構成するための磁石を配置する配置工程と、
   前記隣接溝部に前記止着溝部から飛び出している前記保持具の２枚折りの一枚を再度２枚折りして収納する第２収納工程と、
   前記保持具で前記磁石を前記周面に押さえつけた状態で、前記隣接溝部の奥側に設けられた止着部で当該保持具を止着する第２止着工程とを備えることを特徴とするロータの磁石取付方法。
7. 前記第１収納工程、前記第１止着工程、前記配置工程、前記第２収納工程及び前記第２止着工程を繰り返すことにより、前記周面に前記磁石を連続的に複数個保持させて、当該複数個の磁石で単一の磁極を形成する請求項６に記載のロータの磁石取付方法。

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