JP2020141441A - 回転電気のロータ及び回転電機のロータの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】線材の損傷を抑制し、磁石の固定強度の低下を抑制可能な回転電機のロータ及び回転電機のロータの製造方法を提供する。【解決手段】回転電機のロータ１０は、ロータコア３０と、ロータコア３０の外周面に配置された複数の磁石４１と、複数の磁石４１が配置されたロータコア３０の外周面に線材ＦＷを巻回することで構成されるフィラメントワインディング層４０と、を備える。フィラメントワインディング層４０は、線材ＦＷをロータ１０の回転軸心Ｃの方向に巻回することで構成されている。【選択図】図３Ａ

Description

本発明は、電動車両などに搭載される回転電気のロータ及び回転電機のロータの製造方法に関する。

特許文献１に記載の発電電動機では、ロータコアの外周面に形成されるフィラメントワインディング層が、線材をロータの周方向（以下、周方向と称する。）に巻回することで構成されている。より具体的に説明すると、特許文献１に記載のロータは、複数の積層鋼板で構成されたロータコアと、ロータコアの外周面に配置された複数の磁石と、ロータコアの両端面に設けられた一対の端面板と、を備え、ロータコアの外周面には磁石が嵌合する複数の溝が形成されている。フィラメントワインディング層は、この複数の溝に装着された磁石が脱落しないように、ロータコアの外周面に線材を周方向に巻回している。

特開２００３−１１１３２３号公報

しかし、回転電機の高回転時等には、ロータコアを積層鋼板で形成する場合に積層鋼板の寸法誤差により発生する段差やロータコアと端面板との間の段差等によって、線材が段差部で高所から低所に移動（脱落）してしまい、そこを起点に線材が破断してしまう虞があった。また、線材が段差部で高所から低所に移動（脱落）してしまうと、磁石の固定強度が弱くなる虞があった。

本発明は、線材の損傷を抑制し、磁石の固定強度の低下を抑制可能な回転電機のロータ及び回転電機のロータの製造方法を提供する。

本発明の回転電機のロータは、
ロータコアと、
前記ロータコアの外周面に配置された複数の磁石と、
前記複数の磁石が配置された前記ロータコアの前記外周面に線材を巻回することで構成されるフィラメントワインディング層と、を備える、回転電機のロータであって、
前記フィラメントワインディング層は、前記線材を前記ロータの軸方向に巻回することで構成されている。

本発明の回転電機のロータの製造方法は、
複数の磁石が配置されたロータコアの外周面に線材を巻回することで前記磁石を固定する回転電機のロータの製造方法であって、
前記線材を前記ロータの軸方向に巻回する巻回工程を備える。

本発明によれば、回転電機のロータのフィラメントワインディング層は、線材をロータの軸方向に巻回することで構成されるので、ロータコアの外周面の段差等で線材が損傷するのを抑制でき、磁石の固定強度が低下するのを抑制できる。

本発明の一実施形態の回転電機のロータの斜視図である。 図１の回転電機のロータの断面斜視図である。 線材が巻回されたロータコアの外周面の第１例を示す、図１のＡ方向から見た回転電機のロータの図である。 線材が巻回されたロータコアの外周面の第２例を示す、図１のＡ方向から見た回転電機のロータの図である。 線材が巻回された端面板の外表面の第１例を示す、図１のＢ方向から見た回転電機のロータの図である。 線材が巻回された端面板の外表面の第２例を示す、図１のＢ方向から見た回転電機のロータの図である。 線材が巻回された端面板の外表面の第３例を示す、図１のＢ方向から見た回転電機のロータの図である。 端面板に設けられた引掛部を説明する端面板の外表面の部分拡大図である。 引掛部の第１例を示す、図５のＤ−Ｄ線断面図である。 引掛部の第２例を示す、図５のＤ−Ｄ線断面図である。 引掛部の第３例を示す、図５のＤ−Ｄ線断面図である。

以下、本発明の回転電機のロータ１０の一実施形態を、添付図面に基づいて説明する。以下の説明で、回転軸心Ｃというときは、回転電機のロータ１０又はロータシャフト２０が回転する中心の軸をいい、軸方向とはこの回転軸心Ｃに沿った方向をいう。また、周方向というときは回転軸心Ｃが点に見える状態でこの点を中心に円を描きその円の円周に沿った方向をいう。一方、径方向というときは、点から円へ向かう方向または円から点へ向かう方向をいう。

図１及び図２に示すように、本実施形態の回転電機のロータ１０は、ロータシャフト２０と、ロータシャフト２０に軸支されるロータコア３０と、ロータコア３０の軸方向両側に配置される一対の端面板５０と、を備える。なお、一対の端面板５０は同一形状であり、一方の端面板５０を説明する場合は他方の端面板５０も同様の構造等を有するものである。

ロータコア３０は、例えば複数の不図示の電磁鋼板が積層されることで構成される。ロータコア３０には、その中央に回転軸心Ｃの方向に貫通するロータ挿通孔３１が形成されている。

一対の端面板５０には、その中央にロータシャフト孔５１が形成される。ロータコア３０のロータ挿通孔３１及び一対の端面板５０のロータシャフト孔５１には、ロータシャフト２０が挿通し、ロータシャフト２０、ロータコア３０、及び一対の端面板５０が一体回転するように組み付けられる。

本実施形態のロータ１０は、ロータコア３０の表面に磁石４１が配置された、いわゆるＳＰＭ型の回転電機（Ｓｅｒｆａｃｅ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ Ｍｏｔｏｒ）である。磁石４１は、ロータコア３０の外周面に設けられた溝部に配置され、磁石４１の外周面とロータコア３０の外周面とが略面一となるように設定されている。そして、このロータコア３０の外周面には、樹脂を含浸させた繊維を巻き付けたフィラメントワインディング層４０が設けられ、磁石４１が溝部から外れることが防止される。磁石４１は、例えばネオジム磁石等の永久磁石である。

フィラメントワインディング層４０は、線材ＦＷをロータ１０の回転軸心Ｃの方向に巻回することで構成されている。ここで、軸方向に巻回するとは、回転軸心Ｃと略平行に巻回する場合、及び回転軸心Ｃに対し傾斜して巻回する場合の両方を含む。なお、線材ＦＷを回転軸心Ｃに対し傾斜して巻回する場合、ロータコア３０の外周面を３６０°巻回する前にロータコア３０の一端部から他端部へ、又は他端部から一端部へ線材ＦＷが通過する必要がある。ロータコア３０の一端部から他端部へ、又は他端部から一端部へ線材ＦＷが通過する前に線材ＦＷがロータコア３０の外周面を３６０°巻回される場合、線材ＦＷは周方向に巻回されることを意味する。

このようにフィラメントワインディング層４０は、複数の磁石４１が配置されたロータコア３０の外周面に線材ＦＷを軸方向に巻回することで構成されるので、積層鋼板の寸法誤差により発生する段差やロータコア３０と端面板５０との間の段差等によって、線材ＦＷが損傷するのを抑制できる。したがって、磁石４１の固定強度の低下を抑制でき、磁石４１を確実に保持し続けることができる。これにより、フィラメントワインディング層４０の耐久性が向上し、回転電機をより高負荷及び／又は高回転領域で使用することができる。

図３Ａに示すように、線材ＦＷは、ロータ１０の回転軸心Ｃと略平行に巻回されていてもよい。すなわち、線材ＦＷは、一方の端面板５０から他方の端面板５０に向けて回転軸心Ｃに略平行に巻回され、且つ、他方の端面板５０から一方の端面板５０に向けて回転軸心Ｃに略平行に巻回されている。線材ＦＷをロータ１０の回転軸心Ｃと略平行に巻回することで線材ＦＷの長さを短くでき、さらに巻き数の管理を容易にできる。

図３Ｂに示すように、線材ＦＷは、ロータ１０の回転軸心Ｃに対し傾斜して巻回されていてもよい。すなわち、線材ＦＷは、一方の端面板５０から他方の端面板５０に向けて回転軸心Ｃに対し傾斜して巻回され、且つ、他方の端面板５０から一方の端面板５０に向けて回転軸心Ｃに対し傾斜して巻回されている。なお傾斜角度は適宜設定することができ、同一の傾斜角度で巻回してもよく、傾斜角度を異ならせながら巻回してもよい。これにより、磁石４１が剥がれそうな弱い部分等に線材ＦＷを集中して巻回することができる。

また、一対の端面板５０には、図５に示すように、軸方向においてロータコア３０と対向しない外表面６０の外縁部に、全周に亘って軸方向に突出する引掛部５２が設けられている。線材ＦＷを一対の端面板５０に形成された引掛部５２に引っ掛けながら巻回することで、線材ＦＷの巻回作業を容易にできる。図４Ａ〜図４Ｃは、線材ＦＷが巻回された端面板５０の外表面６０を例示するものである。

図４Ａに示すように、線材ＦＷは、端面板５０の外表面６０においてロータシャフト２０に接触しつつロータシャフト２０を避けるように巻回されていてもよい。端面板５０の中心にはロータシャフト２０が突出しているので、径方向に線材ＦＷを巻回しようとすると線材ＦＷがロータシャフト２０に当たってしまう。そこで、例えば、ロータシャフト２０に当たらないように一旦線材ＦＷをロータシャフト２０から離れるようにしてからロータシャフト２０に接触させる。そのまま、線材ＦＷをロータシャフトの外周面に沿って所定の位置まで回転させてから元の位置又は他の位置まで線材ＦＷを引っ張ることでロータシャフト２０を避けることができる。

また、図４Ｂに示すように、線材ＦＷは、端面板５０の外表面６０においてロータシャフト２０に接触しないようにロータシャフト２０を避けるように巻回されていてもよい。例えば、ロータシャフト２０に当たらない位置で矢印ＡＲ１方向に線材ＦＷを直線状に巻回するとともに矢印ＡＲ１に直交する矢印ＡＲ２方向に線材ＦＷをロータシャフト２０に当たらないように直線状に巻回する。これにより、線材ＦＷ同士が格子状に直交し、線材ＦＷがロータシャフト２０に接触するのを防止できる。

また、ロータシャフト２０を避けながら線材ＦＷを巻回する方法としては、図４Ａ及び図４Ｂで説明した方法に限らず、図４Ｃに示すように線材ＦＷを巻回してもよく、他の態様で線材ＦＷを巻回してもよい。

続いて、線材ＦＷを引っ掛ける引掛部５２についてより具体的に説明する。図６Ａ〜図６Ｃは、端面板５０に形成された引掛部５２を例示するものである。

図６Ａに示す引掛部５２Ａは、端面板５０の外表面６０から軸方向に延びる。すなわち、回転電機のロータ１０の一対の端面板５０には、それぞれの外表面６０の外縁部に周方向に所定の間隔で複数の引掛部５２Ａが全周に亘って設けられる。したがって、隣り合う引掛部５２Ａと引掛部５２Ａとの間には、一方の引掛部５２Ａの側面５５Ａ、他方の引掛部５２Ａの側面５６Ａ、及び底面５７Ａとにより凹部５３Ａが区画形成される。

線材ＦＷは、引掛部５２Ａに引掛けられつつ凹部５３Ａに収容されながら軸方向に巻回されることで、回転電機の高回転時において大きな遠心力が作用した場合であっても、線材ＦＷが引掛部５２Ａから外れるのを防止できる。なお、図６Ａに示す例では、引掛部５２Ａの高さ及び凹部５３Ａの幅は凹部５３Ａに３本の線材ＦＷを収容可能に設定されているが、凹部５３Ａに収容される線材ＦＷの数に応じて引掛部５２Ａの高さ及び凹部５３Ａの幅を適宜変更することができる（図６Ｂ及び図６Ｃについても同様）。

図６Ｂに示す引掛部５２Ｂは、端面板５０の外表面６０から軸方向に離間するに従ってロータ１０の回転方向ＡＲ３に向かうように軸方向に傾斜して延びる。すなわち、回転電機のロータ１０の一対の端面板５０には、それぞれの外表面６０の外縁部に周方向に所定の間隔で複数の引掛部５２Ｂが全周に亘って設けられる。したがって、隣り合う引掛部５２Ｂと引掛部５２Ｂとの間には、一方の引掛部５２Ｂの側面５５Ｂ、他方の引掛部５２Ｂの側面５６Ｂ、及び底面５７Ｂとにより凹部５３Ｂが区画形成される。

線材ＦＷは、引掛部５２Ｂに引掛けられつつ凹部５３Ｂに収容されながら軸方向に巻回されることで、回転電機の高回転時において大きな遠心力が作用した場合であっても、線材ＦＷが引掛部５２Ｂから外れるのを防止できる。特に、引掛部５２Ｂはロータ１０の回転方向ＡＲ３に傾斜しているので、線材ＦＷに作用する回転方向の力が端面板５０の外表面６０側（ロータコア３０側）に向かう力の成分を有する。即ち、線材ＦＷに作用する回転方向の力の一部は線材ＦＷを端面板５０の外表面６０側（ロータコア３０側）に向かう力に変換される。したがって、回転電機の高回転時においても線材ＦＷが引掛部５２Ｂから外れるのをより確実に防止できる。

図６Ｃに示す引掛部５２Ｃには、線材ＦＷの抜止部５８Ｃ、抜止部５９Ｃが設けられている。より具体的に説明すると、それぞれの外表面６０の外縁部に周方向に所定の間隔で複数の引掛部５２Ｃが全周に亘って設けられる。したがって、隣り合う引掛部５２Ｃと引掛部５２Ｃとの間には、一方の引掛部５２Ｃの側面５５Ｃ、他方の引掛部５２Ｃの側面５６Ｃ、及び底面５７Ｃとにより凹部５３Ｃが区画形成される。さらに、凹部５３Ｃには、側面５５Ｃから凹部５３Ｃの内側に突出した抜止部５８Ｃ、側面５６Ｃから凹部５３Ｃの内側に突出した抜止部５９Ｃが形成されている。

線材ＦＷは、引掛部５２Ｃに引掛けられつつ凹部５３Ｃに収容されながら軸方向に巻回されることで、回転電機の高回転時において大きな遠心力が作用した場合であっても、線材ＦＷが引掛部５２Ｃから外れるのを防止できる。特に、引掛部５２Ｃには抜止部５８Ｃ、５９Ｃが設けられているので、回転電機の高回転時においても線材ＦＷが引掛部５２Ｃから外れるのをより確実に防止できる。

次に、本発明の回転電機のロータ１０の製造方法の一実施形態を説明する。本実施形態の製造方法は、複数の磁石４１が配置されたロータコア３０の外周面に線材ＦＷを巻回することで磁石４１を固定する方法である。

本実施形態の回転電機のロータ１０の製造方法は、線材ＦＷをロータ１０の軸方向に巻回する巻回工程を備える。巻回工程では、線材ＦＷをロータ１０の回転軸心Ｃと略平行に巻回する、又は、線材ＦＷをロータ１０の回転軸心Ｃに対し傾斜するように巻回する。なお、巻回工程における巻回作業は、機械よるもの、手動によるもの、又はこれらの組み合わせでもよい。

この巻回工程では、上記したように、回転軸心Ｃの方向においてロータコア３０の両端部に設けられた一対の端面板５０の引掛部５２に線材ＦＷを引っ掛けながら巻回する。なお、線材ＦＷを引掛部５２に引っ掛けた際に引掛部５２を起点として傾斜方向を異ならせながら巻回してもよい。また、巻回工程では、上記したように線材ＦＷをロータシャフト２０を避けるように巻回することが好ましい。

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。

また、本明細書には少なくとも以下の事項が記載されている。なお、括弧内には、上記した実施形態において対応する構成要素等を示しているが、これに限定されるものではない。

（１）ロータコア（ロータコア３０）と、
前記ロータコアの外周面に配置された複数の磁石（磁石４１）と、
前記複数の磁石が配置された前記ロータコアの前記外周面に線材（線材ＦＷ）を巻回することで構成されるフィラメントワインディング層（フィラメントワインディング層４０）と、を備える、回転電機のロータ（ロータ１０）であって、
前記フィラメントワインディング層は、前記線材を前記ロータの軸方向に巻回することで構成されている、回転電機のロータ。

（１）によれば、フィラメントワインディング層は、線材をロータの軸方向に巻回することで構成されているので、線材が段差部で高所から低所に移動（脱落）してしまうことがなく、ロータコアの外周面の段差等で線材が損傷するのを抑制できる。したがって、磁石の固定強度が低下するのを抑制できる。これにより、フィラメントワインディング層の耐久性が向上し、回転電機をより高負荷及び／又は高回転領域で使用することができる。

（２） （１）に記載の回転電機のロータであって、
前記線材は、前記ロータの回転軸心と略平行に巻回されている、又は、前記ロータの回転軸心（回転軸心Ｃ）に対し傾斜して巻回されている、回転電機のロータ。

（２）によれば、線材をロータの回転軸心と略平行に巻回することで線材の長さを短くでき、さらに巻き数の管理を容易にできる。一方、線材をロータの回転軸心に対し傾斜して巻回することで弱い部分を補強することができる。

（３） （１）又は（２）に記載の回転電機のロータであって、
前記ロータは、前記軸方向において前記ロータコアの両端部に一対の端面板（端面板５０）を備え、
前記一対の端面板は、前記線材を引っ掛ける引掛部（引掛部５２）を有する、回転電機のロータ。

（３）によれば、線材を一対の端面板に形成された引掛部に引っ掛けながら巻回することで、線材の巻回作業を容易にできる。

（４） （３）に記載の回転電機のロータであって、
前記引掛部は、前記軸方向において前記ロータコアと対向しない外表面から突出し、且つ、前記外表面から前記軸方向に離間するに従って前記ロータの回転方向に延びるように形成されている、回転電機のロータ。

（４）によれば、引掛部は、端面板の外表面から軸方向に離間するに従ってロータの回転方向に延びるように形成されていることで、線材に作用する回転方向の力が端面板側に向かう力の成分を有するので、回転電機の高回転時においても線材が引掛部から外れるのを防止できる。

（５） （３）又は（４）に記載の回転電機のロータであって、
前記引掛部には、前記線材の抜止部が設けられている、回転電機のロータ。

（５）によれば、回転電機の高回転時において大きな遠心力が作用した場合であっても、線材が引掛部から外れるのをより確実に防止できる。

（６） 複数の磁石が配置されたロータコアの外周面に線材を巻回することで前記磁石を固定する回転電機のロータの製造方法であって、
前記線材を前記ロータの軸方向に巻回する巻回工程を備える、回転電機のロータの製造方法。

（６）によれば、巻回工程において線材をロータの軸方向に巻回することで、線材が段差部で高所から低所に移動（脱落）してしまうことがなく、ロータコアの外周面の段差等で線材が損傷するのを抑制できる。したがって、磁石の固定強度が低下するのを抑制できる。これにより、フィラメントワインディング層の耐久性が向上し、回転電機をより高負荷及び／又は高回転領域で使用することができる。

（７） （６）に記載の回転電機のロータの製造方法であって、
前記巻回工程では、前記線材を前記ロータの回転軸心と略平行に巻回する、又は、前記線材を前記ロータの回転軸心に対し傾斜するように巻回する、回転電機のロータの製造方法。

（７）によれば、線材をロータの回転軸心と略平行に巻回することで線材の長さを短くでき、さらに巻き数の管理を容易にできる。一方、線材をロータの回転軸心に対し傾斜して巻回することで弱い部分を補強することができる。これにより、フィラメントワインディング層の耐久性が向上し、回転電機をより高負荷及び／又は高回転領域で使用することができる。

（８） （６）又は（７）に記載の回転電機のロータの製造方法であって、
前記巻回工程では、前記軸方向において前記ロータコアの両端部に設けられた一対の端面板の引掛部に前記線材を引っ掛けながら巻回する、回転電機のロータの製造方法。

（８）によれば、線材を一対の端面板に形成された引掛部に引っ掛けながら巻回することで、線材の巻回作業を容易にできる。

（９） （６）又は（７）に記載の回転電機のロータの製造方法であって、
前記巻回工程では、前記線材をロータシャフトを避けるように巻回する、回転電機のロータの製造方法。

（９）によれば、線材をロータシャフトを避けるように巻回することで、ロータシャフトとロータとを独立して取り扱うことができる。

（１０） （６）〜（９）のいずれか１項に記載の回転電機のロータの製造方法であって、
前記巻回工程では、前記線材を前記ロータの回転軸心に対し傾斜するように、且つ、傾斜方向を異ならせながら巻回する、回転電機のロータの製造方法。

（１０）によれば、一方向に傾斜して巻回する場合に比べて、線材の巻き方の自由度が高い。

１０ 回転電機のロータ
３０ ロータコア
４０ フィラメントワインディング層
４１ 磁石
５０ 端面板
５１ ロータシャフト孔
５２ 引掛部
Ｃ 回転軸心
ＦＷ 線材

Claims (10)

1. ロータコアと、
   前記ロータコアの外周面に配置された複数の磁石と、
   前記複数の磁石が配置された前記ロータコアの前記外周面に線材を巻回することで構成されるフィラメントワインディング層と、を備える、回転電機のロータであって、
   前記フィラメントワインディング層は、前記線材を前記ロータの軸方向に巻回することで構成されている、回転電機のロータ。
2. 請求項１に記載の回転電機のロータであって、
   前記線材は、前記ロータの回転軸心と略平行に巻回されている、又は、前記ロータの回転軸心に対し傾斜して巻回されている、回転電機のロータ。
3. 請求項１又は２に記載の回転電機のロータであって、
   前記ロータは、前記軸方向において前記ロータコアの両端部に一対の端面板を備え、
   前記一対の端面板は、前記線材を引っ掛ける引掛部を有する、回転電機のロータ。
4. 請求項３に記載の回転電機のロータであって、
   前記引掛部は、前記軸方向において前記ロータコアと対向しない外表面から突出し、且つ、前記外表面から前記軸方向に離間するに従って前記ロータの回転方向に延びるように形成されている、回転電機のロータ。
5. 請求項３又は４に記載の回転電機のロータであって、
   前記引掛部には、前記線材の抜止部が設けられている、回転電機のロータ。
6. 複数の磁石が配置されたロータコアの外周面に線材を巻回することで前記磁石を固定する回転電機のロータの製造方法であって、
   前記線材を前記ロータの軸方向に巻回する巻回工程を備える、回転電機のロータの製造方法。
7. 請求項６に記載の回転電機のロータの製造方法であって、
   前記巻回工程では、前記線材を前記ロータの回転軸心と略平行に巻回する、又は、前記線材を前記ロータの回転軸心に対し傾斜するように巻回する、回転電機のロータの製造方法。
8. 請求項６又は７に記載の回転電機のロータの製造方法であって、
   前記巻回工程では、前記軸方向において前記ロータコアの両端部に設けられた一対の端面板の引掛部に前記線材を引っ掛けながら巻回する、回転電機のロータの製造方法。
9. 請求項６又は７に記載の回転電機のロータの製造方法であって、
   前記巻回工程では、前記線材をロータシャフトを避けるように巻回する、回転電機のロータの製造方法。
10. 請求項６〜９のいずれか１項に記載の回転電機のロータの製造方法であって、
    前記巻回工程では、前記線材を前記ロータの回転軸心に対し傾斜するように、且つ、傾斜方向を異ならせながら巻回する、回転電機のロータの製造方法。

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