JP6880668B2

JP6880668B2 - 回転電機のロータ

Info

Publication number: JP6880668B2
Application number: JP2016223435A
Authority: JP
Inventors: 安成荒井
Original assignee: Toyota Boshoku Corp
Current assignee: Toyota Boshoku Corp
Priority date: 2016-11-16
Filing date: 2016-11-16
Publication date: 2021-06-02
Anticipated expiration: 2036-11-16
Also published as: JP2018082564A

Description

本発明は、回転電機のロータに関する。

電動機や発電機といった回転電機のロータは、ステータに対し回転するものであって、回転軸が貫通するとともに永久磁石が設けられている筒状のコアを備えている。
こうした回転電機のロータにおいては、その回転時にコアに対し遠心力が作用することによって同コア（永久磁石等）が径方向に変形するおそれがある。このため、コアの径方向についての変形によって回転電機の性能に影響が生じないよう、カーボンファイバー等の強度の高い繊維（強化繊維）をコアの外周面に沿って周方向に周回させ、その強化繊維によってコアの外周面上に同コアの上記変形を抑制するための繊維層を形成することが考えられている。

また、上述したようにコアの径方向への変形を抑制した場合、ロータの回転に伴ってコアに対し遠心力が作用したとき、コアが上記径方向への変形の抑制に伴って軸線方向に変形するおそれがある。このため、特許文献１では、コアの軸線方向両端にそれぞれ同コアの軸線方向についての上記変形を抑制するためのエンドプレートを設け、同変形に伴って回転電機の性能に影響が生じることを抑制するようにしている。

特許第５６２６４１５号公報

しかし、上記エンドプレートによってコアの軸線方向についての変形を抑制しようとすると、ロータにエンドプレートを設けなければならない分、同ロータの部品点数が増加して製造コストが高くなる。

本発明の目的は、部品点数を増加させることなくコアの軸線方向についての変形を抑制することができる回転電機のロータを提供することにある。

以下、上記課題を解決するための手段及びその作用効果について記載する。
上記課題を解決する回転電機のロータは、回転軸が貫通するとともに永久磁石が設けられている筒状のコアと、そのコアの周りを周回する繊維からなる繊維層と、を備える。この繊維層は、上記繊維がコアの軸線方向両側の端面にそれぞれ巻き付けられるように同コアの周りを周回する第１層と、上記繊維がコアの外周面に沿って同コアを周方向に周回している第２層と、を有している。

この構成によれば、ロータの回転に伴って遠心力がコアに対し作用したとき、同コアが径方向に変形することは繊維層のうちの第２層、すなわち繊維がコアの外周面に沿って同コアを周方向に周回している第２層によって抑制される。更に、その径方向への変形の抑制に伴ってコアが軸線方向に変形することは、繊維層のうちの第１層、すなわち繊維がコアの軸線方向両側の端面にそれぞれ巻き付けられるように同コアの周りを周回する第１層によって抑制される。コアの軸線方向についての変形を上述したように繊維層のうちの第１層で抑制することにより、部品点数を増加させることなくコアの軸線方向についての変形を抑制することができる。

回転電機の全体構成を示す断面図。回転電機におけるロータの構造を示す断面図。（ａ）は繊維層のうちの第１層を示す略図、（ｂ）は繊維層のうちの第２層の傾斜巻層を示す略図、（ｃ）は繊維層のうちの第２層の直交巻層を示す略図。コアの端面で複数層に重なる強化繊維であって、その複数層における隣接する各層の強化繊維の延びる方向を示す略図。複数層に重なった強化繊維の例を示す略図。複数層に重なった強化繊維の例を示す略図。繊維シートの構造を示す斜視図。コアに対する第１層の強化繊維の周回態様の他の例を示す略図。

以下、回転電機のロータの一実施形態について、図１〜図６を参照して説明する。
図１に示すように、回転電機のロータ１は、ステータ２内に設けられており、同ステータ２に対し回転することが可能となっている。このロータ１は、回転軸３が貫通するとともに永久磁石６が設けられている筒状のコア４を備えている。

コア４は、その軸線方向（図１の紙面と直交する方向）に重なるよう積層された複数の電磁鋼板からなる積層部５と、同積層部５の外周面に設けられた複数の永久磁石６と、を備えている。なお、上記積層部５は回転軸３の外周面に対し固定されており、上記複数の永久磁石６は積層部５の外周面上において周方向に並んでいる。

また、ロータ１は、コア４の周りを周回するカーボンファイバー等の強度の高い繊維（強化繊維）からなる繊維層７を備えている。この繊維層７により、コア４における永久磁石６が積層部５の外周面に固定されている。

図２及び図３は、ロータ１における上記繊維層７の詳細を示している。図２に示すように繊維層７は筒状のコア４全体を包むように設けられている。この繊維層７は、図３（ａ）に示すように強化繊維９がコア４の軸線方向両側の端面４ａ，４ｂにそれぞれ巻き付けられるように同コア４の周りを周回する第１層８と、図３（ｂ）及び（ｃ）に示すように強化繊維１０ａ，１０ｂがコア４の外周面に沿って同コア４を周方向に周回している第２層１１と、を有している。

図３（ａ）に示すように、第１層８において強化繊維９がコア４の軸線方向両側の端面４ａ，４ｂのうちの一方の端面４ａに巻き付けられた部分と他方の端面４ｂに巻き付けられた部分とは、コア４の径方向において回転軸３を挟む位置に存在している。また、第１層８は、端面４ａ，４ｂで上記軸線方向（図３（ａ）の左右方向）において複数層に重なっており、その複数層のうち隣接する各層で強化繊維９の延びる方向が互いに異なる方向となるよう、上記各層の強化繊維９がコア４の周りを周回している。

図４はコア４の端面４ａで複数層に重なる強化繊維９を示しており、図中の実線、破線、二点鎖線はそれぞれ上記複数層における隣接する各層の強化繊維９を示している。この図から分かるように、第１層８の強化繊維９は、コア４の周りを周回するに当たり、所定の周回数毎にコア４の周方向に少しずつずれながら周回しており、それによって上記複数層における隣接する各層の強化繊維９（実線、破線、二点鎖線）の延びる方向が互いに異なる方向となっている。また、コア４の端面４ｂ側においても、端面４ａ側と同様、強化繊維９の延びる方向が隣接する各層で互いに異なる方向となっている。

一方、上記第２層１１は、図３（ｂ）に示すようにコア４の外周面において強化繊維１０ａがコア４の軸線に対し傾斜する方向に延びる傾斜巻層１２と、図３（ｃ）に示すようにコア４の外周面において強化繊維１０ｂがコア４の軸線に対しほぼ直交する方向に延びる直交巻層１３と、を有している。

傾斜巻層１２（図３（ｂ））は、コア４の外周面上で同コア４の径方向において複数層に重なっており、その複数層のうち隣接する各層で強化繊維１０ａの延びる方向が互いに異なる方向となるよう、上記各層の強化繊維１０ａがコア４の周りを周回している。詳しくは、上記各層で強化繊維１０ａの延びる方向におけるコア４の軸線に対する傾斜角度が少しずつ異なるよう、上記各層の強化繊維１０ａがコア４の周りを周回している。

また、直交巻層１３（図３（ｂ））についても、コア４の外周面上で同コア４の径方向において複数層に重なっており、その複数層のうち隣接する各層で強化繊維１０ｂの延びる方向が互いに異なる方向となるよう、上記各層の強化繊維１０ｂがコア４の周りを周回している。詳しくは、上記各層で強化繊維１０ｂの延びる方向におけるコア４の軸線に対する傾斜角度が少しずつ異なるよう、上記各層の強化繊維１０ｂがコア４の周りを周回している。

ちなみに、この例のロータ１においては、強化繊維９をコア４の周りで周回させて第１層８を形成した後、強化繊維１０ａをコア４の周りで周回させて第２層１１の傾斜巻層１２を形成し、更にその後に強化繊維１０ｂをコア４の周りで周回させて第２層１１の直交巻層１３を形成している。そして、第１層８及び第２層１１（傾斜巻層１２及び直交巻層１３）の形成後、それらに対し接着剤を含浸させて加熱を行うことにより、第１層８及び第２層１１を形成する強化繊維９，１０ａ，１０ｂ同士の固定が行われる。

次に、本実施形態における回転電機のロータ１が奏する作用効果について説明する。
（１）ロータ１の回転に伴って遠心力がコア４に対し作用したとき、同コア４（永久磁石６）が径方向に変形することは繊維層７のうちの第２層１１、すなわち強化繊維１０ａ，１０ｂがコア４の外周面に沿って同コア４を周方向に周回している第２層１１によって抑制される。更に、その径方向への変形の抑制に伴ってコア４（永久磁石６）が軸線方向に変形することは、繊維層７のうちの第１層８、すなわち強化繊維９がコア４の軸線方向両側の端面４ａ，４ｂにそれぞれ巻き付けられるように同コア４の周りを周回する第１層８によって抑制される。コア４の軸線方向についての変形を上述したように繊維層７のうちの第１層８で抑制することにより、部品点数を増加させることなくコア４の軸線方向についての変形を抑制することができる。また、繊維層７のうちの第１層８及び第２層１１は、コア４に対する強化繊維の周回方向を変えるだけでそれぞれ形成することができるため、第１層８及び第２層１１を有する繊維層７の形成を容易に行うことができる。

（２）第１層８において、強化繊維９がコア４の軸線方向両側の端面４ａ，４ｂのうちの一方の端面４ａに巻き付けられた部分と、他方の端面４ｂに巻き付けられた部分とは、コア４の径方向において回転軸３を挟む位置に存在している。これにより、上記強化繊維９を有する第１層８が回転軸３の軸線方向についてのコア４からの力を受けたときの同第１層８の剛性を確保しやすくなり、ひいてはコア４の軸線方向についての変形を抑制しやすくなる。

（３）第１層８は、コア４の軸線方向の端面４ａ，４ｂで同軸線方向において、複数層に重なっている。仮に、図５に示すように、上記複数層における各層の強化繊維９が同じ方向に延びているとすると、隣接する各層のうちの外側（図５では左側）の層の強化繊維９がコア４に対する巻き付けの際に内側（図５では右側）の層の強化繊維９の間に埋没してしまい、それに伴い第１層８の形状がくずれる可能性がある。そして、第１層８の形状がくずれることにより、同第１層８によるコア４の軸線方向についての変形の抑制に支障を来すおそれがある。

しかし、上記隣接する各層では強化繊維９の延びる方向が互いに異なる方向となっているため、隣接する各層のうちの外側の層の強化繊維９が内側の層の強化繊維９の間に埋没することはない。更に、その埋没に伴って第１層８の形状がくずれることにより、同第１層８によるコア４の軸線方向についての変形の抑制に支障を来すこともない。

（４）第２層１１における傾斜巻層１２及び直交巻層１３はそれぞれ、コア４の外周面上で同コア４の径方向において複数層に重なっている。仮に、図６に示すように、各層の強化繊維１０ａ，１０ｂが同じ方向に延びているとすると、隣接する各層のうちの外側（図６では上側）の層の強化繊維１０ａ，１０ｂがコア４に対する巻き付けの際に内側（図６では下側）の層の強化繊維１０ａ，１０ｂの間に埋没してしまい、それに伴い第２層１１の形状がくずれる可能性がある。そして、第２層１１の形状がくずれることにより、同第２層１１によるコア４の径方向についての変形の抑制に支障を来すおそれがある。

しかし、上記隣接する各層では強化繊維１０ａ，１０ｂの延びる方向が互いに異なる方向となっているため、隣接する各層のうちの外側の層の強化繊維１０ａ，１０ｂが内側の層の強化繊維１０ａ，１０ｂの間に埋没することはない。更に、その埋没に伴って第２層１１の形状がくずれることにより、同第２層１１によるコア４の径方向についての変形の抑制に支障を来すこともない。

なお、上記実施形態は、例えば以下のように変更することもできる。
・繊維層７は、図７に示すような帯状の繊維シート１４からなるものであってもよい。この繊維シート１４は、接着剤が塗布された帯状のフィルム１４ａに対し複数の強化繊維９，１０ａ，１０ｂを平行に並べた状態で貼り付けたものである。こうした繊維シート１４をコア４の周りで周回させて繊維層７の第１層８及び第２層１１（傾斜巻層１２、直交巻層１３）を形成する。この場合、繊維シート１４をコア４の周りで一度周回させれば、複数の強化繊維９，１０ａ，１０ｂをコア４の周りで周回させることができるため、より速やかに繊維層７をロータ１に設けることができる。

・第１層８において、強化繊維９がコア４の軸線方向両側の端面４ａ，４ｂのうちの一方の端面４ａに巻き付けられた部分と、他方の端面４ｂに巻き付けられた部分とは、必ずしもコア４の径方向において回転軸３を挟む位置に存在している必要はない。すなわち、第１層８を形成する強化繊維９は、図８に示すようにコア４の周りを周回していてもよい。

・第１層８において、コア４の端面４ａ，４ｂで同コア４の軸線方向に重なる複数層のうち隣接する各層で強化繊維９の延びる方向が互いに異なる方向となるようにしたが、そうしたことは必須ではない。

・第２層１１の傾斜巻層１２において、コア４の外周面上で同コア４の径方向に重なる複数層のうち隣接する各層で強化繊維１０ａの延びる方向が互いに異なる方向となるようにしたが、そうしたことは必須ではない。

・第２層１１の直交巻層１３において、コア４の外周面上で同コア４の径方向に重なる複数層のうち隣接する各層で強化繊維１０ｂの延びる方向が互いに異なる方向となるようにしたが、そうしたことは必須ではない。

・第２層１１において、傾斜巻層１２と直交巻層１３との一方を省略してもよい。
・強化繊維９，１０ａ，１０ｂとしては、カーボンファイバー以外のものを用いることも可能である。

１…ロータ、２…ステータ、３…回転軸、４…コア、４ａ…端面、４ｂ…端面、５…積層部、６…永久磁石、７…繊維層、８…第１層、９…強化繊維、１０ａ…強化繊維、１０ｂ…強化繊維、１１…第２層、１２…傾斜巻層、１３…直交巻層、１４…繊維シート、１４ａ…フィルム。

Claims

回転軸が貫通する筒状のコアを形成する積層部と、
前記積層部の外周面に設けられている永久磁石と、
前記積層部及び前記永久磁石の周りを周回する繊維からなる繊維層と、
を備え、
前記繊維層は、前記繊維が前記積層部の軸線方向両側の端面にそれぞれ巻き付けられるように同積層部及び前記永久磁石の周りを周回する第１層と、前記繊維が前記積層部の外周面に沿って同積層部及び前記永久磁石の周りを周方向に周回している第２層と、を有しており、
前記第１層において繊維が前記積層部の軸線方向両側の端面のうちの一方の端面に巻き付けられた部分と他方の端面に巻き付けられた部分とは、前記積層部の径方向において前記回転軸を挟む位置に存在していることを特徴とする回転電機のロータ。
前記繊維層は、前記積層部及び前記永久磁石の周りを周回するとともに複数の前記繊維が平行に配置された帯状の繊維シートからなるものである請求項１に記載の回転電機のロータ。
前記第１層は、前記積層部の軸線方向の端面で同軸線方向において複数層に重なっており、その複数層のうち隣接する各層で繊維の延びる方向が互いに異なる方向となるよう、前記各層の繊維が前記積層部及び前記永久磁石の周りを周回している請求項１又は２に記載の回転電機のロータ。
前記第２層は、前記永久磁石の外周面で前記積層部の径方向において複数層に重なっており、その複数層のうち隣接する各層で繊維の延びる方向が互いに異なる方向となるよう、前記各層の繊維が前記積層部及び前記永久磁石の周りを周回している請求項１〜３のいずれか一項に記載の回転電機のロータ。