JP6988357B2 - 回転電機および回転電機の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、回転電機およびその製造方法に関し、特に回転電機のレゾルバに与えられる磁気ノイズの遮蔽構造に関する。

回転電機においては、ロータの回転角度をレゾルバによって検出することがある。

下記特許文献１には、回転電機のコイルエンドから発生するノイズがレゾルバに流入することを抑制するため、コイルエンドとレゾルバとの間に遮蔽板を設けることが記載されている。この遮蔽板は、レゾルバに固定されている。

特開２０１１−２１７５１９号公報

上記特許文献１の方法では、遮蔽板をレゾルバに固定するために専用の固定壁を設けており、回転電機が大型化している。

本発明の目的は、回転電機およびその製造方法において、コイルエンドからのノイズがレゾルバに流入することを抑制する遮蔽構造を簡易化することにある。

実施形態の一態様においては、製造方法は、ロータシャフトとロータコアを備え、前記ロータシャフトを回転軸として回転するロータと、前記ロータコアの外周側に配置され、複数のスロットが内周側に形成されたステータコアと、前記スロットに巻回されたコイルと、前記ロータに取り付けられ前記ロータとともに回転するレゾルバロータと、前記コイルが前記ステータコアの回転軸方向の端面外に突出することで形成されたコイルエンドより内周側で、かつ、前記レゾルバロータの周囲に設けられ、当該レゾルバロータの回転にともなう磁気変化に基づいて当該レゾルバロータの回転角度を検出するレゾルバステータと、を備えた回転電機の製造方法であって、前記レゾルバステータとの磁気結合を遮蔽するとともに可撓性を有する遮蔽シートを前記コイルエンドの内周面に沿う円筒状に丸めた状態で前記コイルエンドの内側に配置し、その際に生じる前記遮蔽シートの弾性力に伴う反力を利用して、前記遮蔽シートを前記コイルエンドの内周面に仮固定し、その後、前記コイルエンドの少なくとも一部を前記遮蔽シートとともに絶縁性の固定部材で覆うことで、前記遮蔽シートを固定する、ことを特徴とする。
また、回転電機は、ロータシャフトとロータコアを備え、前記ロータシャフトを回転軸として回転するロータと、前記ロータコアの外周側に配置され、複数のスロットが内周側に形成されたステータコアと、前記スロットに巻回されたコイルと、前記ロータに取り付けられ前記ロータとともに回転するレゾルバロータと、前記コイルが前記ステータコアの回転軸方向の端面外に突出することで形成されたコイルエンドより内周側で、かつ、前記レゾルバロータの周囲に設けられ、当該レゾルバロータの回転にともなう磁気変化に基づいて当該レゾルバロータの回転角度を検出するレゾルバステータと、を備え、前記コイルエンドの内周側には、前記レゾルバステータとの磁気結合を遮蔽する可撓性のシート材を前記コイルエンドの内周面に沿う円筒形に丸めて構成される遮蔽シートが設けられ、前記コイルエンドを絶縁固定する固定部材が、前記遮蔽シートを固定する。

回転電機は、ロータと、ロータの周囲に配置されるステータを備える。そして、ロータは、ロータシャフトとロータコアを備える。ロータシャフトは回転軸となる部材である。ロータコアは、電磁鋼板の積層や、圧粉磁心の成形などによって作られる。ロータコアには、永久磁石が設置される場合もある（ＩＰＭモータ）。また、ステータは、ステータコアとコイルを備える。ステータコアは、ロータと同軸に形成された円筒形状の部材である。ステータコアは、電磁鋼板の積層や、圧粉磁心の成形などによって作られる。このステータコアの内周側（ロータ側）には、複数のスロットが設けられる。スロットは、回転軸方向にステータコアを貫く溝である。スロットには、コイルが巻回される。そして、ステータの回転軸方向の両端には、コイルが突出したコイルエンドが形成される。

レゾルバは、レゾルバロータの回転にともなう磁気変化に基づいて当該レゾルバロータの回転角度を検出するセンサである。レゾルバには、ロータに取り付けられるレゾルバロータと、その周囲に配置されるレゾルバステータが含まれる。磁気変化を利用することから、磁気センサということもできる。レゾルバは、典型的には、検出コイルを備えておりレゾルバロータが回転することによる磁気変化を起電力として検出して、回転角度を得ている。検出コイルは、レゾルバロータの外周の同一面上に設置されるものが多いが、例えば、レゾルバロータの（軸方向でみた）上または下に設置されてもよい。いずれにせよ、レゾルバステータは、レゾルバロータの周囲に配置される。このレゾルバステータが配置される位置は、コイルエンドの内周側である。その位置は、軸方向に見て、コイルエンドと重複する位置であってもよいが、コイルエンドの端面よりも外側であってもよい。

遮蔽部材は、透磁率の高い物質（鉄、ニッケルなど）によって、磁気を遮蔽（シールド）する機能を付与された部材である。遮蔽部材は、所定の形状に作られた難変形性の部材であってもよいが、シート状の部材のように可撓性をもつ部材であってもよい。シート状部材としては、樹脂フィルムと軟磁性ナノ粒子を組み合わせた遮蔽シートなどが知られている。

遮蔽部材は、コイルエンドの内周側に設けられる。磁気遮蔽の効果を高める観点からは、コイルエンドの内周側に全周的に（つまり３６０度にわたって）設けられるのがよい。また、軸方向には、ステータコアの位置からコイルエンドの端面付近（軸方向に最も出っ張った位置）までを全て覆ってもよいが、一部のみを覆うものであってもよい。一部のみを覆う場合、コイルエンドとの間に隙間を設けてもよいし、コイルエンドの端面までは覆わずにその手前までを覆うようにしてもよい。ステータコアの冷却の観点からは、コイルエンドとの間に隙間を設けるほうが良い場合がある。なお、遮蔽部材は、コイルエンドの軸方向の端面の一部または全部を覆うものであってもよい。いずれにせよ、遮蔽部材の覆い方を決定するにあたっては、レゾルバの位置を勘案した上で、レゾルバ、特にレゾルバステータがコイルエンドの発するノイズから遮蔽される効果を高めるように設定することになる。

コイルエンドの少なくとも一部と、遮蔽部材の少なくとも一部は、絶縁部材性の樹脂などの固定部材で被覆等されて固定される。固定部材としては、例えば、ワニス、モールド材、レーシングなどが用いられる。コイルエンドは、固定部材によって全面的に覆われてしまってもよい。しかし、コイルエンドを全て樹脂等で覆ってしまうと、回転電機の駆動時における放熱性が確保できない場合がある。このような場合には、ステータコアと固定部材との間に隙間ができるように、コイルエンドの先端側のみを固定するのがよい。

一態様においては、コイルは、複数のセグメントコイルがスロットに挿入され、その接続部同士を接続することで形成されてもよい。セグメントコイルは、コイルを形成する断片である。セグメントコイルは、他のセグメントコイルと接続されることで、全体として巻回されたコイルを形成する。セグメントコイルは、通常、銅などの導体が絶縁皮膜されて構成されている。ただし、他のセグメントコイルと接続される接続部（通常はセグメントコイルの端部である）は皮膜されていない。

セグメントコイルは、例えば、Ｕ字型に形成されている。そして、ステータコアの回転軸方向の一端から、Ｕ字型の２本の足が、それぞれ所定のスロットに挿入される。これにより、ステータコアの一端側には、Ｕ字型の根元部分が多数集まったコイルエンドが形成され、他端側には、Ｕ字型の２本の足が多数集まったコイルエンドが形成される。この他端側において、異なるステータコアのＵ字型の足に設けられた接続部同士を、回路設計に従って接続することで、スロットに巻回されたコイルが形成される。

遮蔽部材を設置するにあたっては、遮蔽部材とコイルエンドを電気的に絶縁して、短絡を防ぐ必要がある。そこで、例えば、遮蔽部材を絶縁シートなどによって絶縁処理した上で設置することが考えられる。設置される部分のコイルエンドが、絶縁皮膜に覆われている場合には、特段の処理をする必要はない。そのうえで、コイルエンドの接続部と遮蔽部材は、絶縁性の固定部材を被覆するなどして固定されることになる。

コイルエンドに簡易に取り付けられた遮蔽部材によって、レゾルバへの磁気ノイズの流入を抑制することが可能となる。

実施態様にかかる回転電機１０の概略的な断面図である。 磁気遮蔽シートの形成過程を示す図である。 遮蔽シートの取り付け過程を示す図である。 変形例にかかるステータの構造を示す図である。 別の変形例にかかるステータの構造を示す図である。 別の変形例にかかる遮蔽シートの形成過程を示す図である。

以下に図面を参照して、実施形態について説明する。説明においては、理解を容易にするため、具体的な態様について示すが、これらは実施形態の例であり、他にも様々な実施形態をとることが可能である。

図１は、実施形態にかかる回転電機１０の概略的な断面図である。回転電機１０は、ロータ１２と、ステータ２０を含んでいる。ロータ１２には、ロータシャフト１４とロータコア１６が含まれる。ロータコア１６は、電磁鋼板を積層して形成したものである。ロータコア１６の内部には、複数の磁石孔が設けられており、そこに永久磁石が挿入されている。これによって、ロータコア１６には複数の磁極が形成される。また、ロータコア１６の中心部には、シャフト孔が設けられており、そこにロータシャフト１４が挿入されている。ロータシャフト１４は、回転軸となる部材である。ロータシャフト１４には、ロータコア固定部１４ａが設けられている。このロータコア固定部１４ａはロータコア１６と強固に結合されているため、ロータシャフト１４とロータコア１６は一体的に回転することが可能となっている。また、ロータシャフト１４には、ロータコア固定部１４ａの上方にレゾルバロータ台１４ｂが設けられている。このレゾルバロータ台１４ｂには、レゾルバロータ１８が取り付けられている。レゾルバロータ１８は、多角形形状の鉄心を備えた部材である。

ステータ２０には、電磁鋼板を積層して形成されたステータコア２２が含まれる。ステータコア２２は、円筒形状に形成されており、ロータコア１６の外周側に、ロータシャフト１４と同軸で配置されている。ステータコア２２の内周側には、回転軸方向に沿ってスロットと呼ばれる溝が形成されている。スロットは、回転軸方向の両端面にまで続くように形成されている。このスロットには、３相交流型の回路設計に従って、コイル２４が巻回されている。コイル２４は、Ｕ字形状のセグメントコイルを結合して形成したものである。セグメントコイルは、銅で作られた平角線を絶縁性樹脂で被覆して形成された部材であり、Ｕ字型の２本の足における先端部分のみが被覆処理された接続部となっている。セグメントコイルは、スロットの一端側（ここでは図面の下側であることを想定している）から２本の足を先頭にして挿入される。その結果として、ステータコア２２の回転軸方向下端側には、Ｕ字形状のセグメントコイルの根元部分が多数集まったコイルエンド２４ａが形成されている。また、ステータコア２２の回転軸方向上端側には、セグメントコイルの足が多数集まったコイルエンド２４ｂが形成されている。コイルエンド２４ｂの先端側には、各セグメントコイルの接続部が集まっており、回路設計に従って互いに接続されることで、接続領域２４ｃを形成している。この接続の結果、コイル２４が形成されている。

コイルエンド２４ｂの内周側（ロータ１２の側）には、遮蔽部材としての遮蔽シート２６が設けられている。遮蔽シート２６は、高透磁率をもつ物質によって、磁束の分布を制御するものである。図１の例では、この遮蔽シート２６を、コイルエンド２４ｂのうち、接続領域２４ｃとは重複しない部分に配置している。

ここで、図２及び図３を参照して、遮蔽シート２６の設置について説明する。図２は、遮蔽シート２６について説明する図である。図２（ａ）は、遮蔽シート２６を設置する前の長尺シート形状における正面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）の遮蔽シート２６を円筒形状に丸めた段階における上面図である。遮蔽シート２６には、樹脂フィルムで軟磁性ナノ粒子を包み、さらに絶縁性のシートを重ねることで形成されている。このため、遮蔽シート２６は、導体に接した場合にも、絶縁性が確保されている。ただし、図１の例では、遮蔽シート２６を接続領域２４ｃには接触させないことで、非絶縁性のシートでも実施可能な態様をとっている。

遮蔽シート２６は、図２（ｂ）に示すように丸めた場合、周方向に一回り（３６０度）以上するように設定されている。一回りできない場合には、その部分から磁束が漏れ、レゾルバの検出精度を成果させるためである。なお、遮蔽シート２６に高透磁率の物質が十分に含まれており、磁気ノイズを集中させることができる場合には、複数周にわたって巻回する必要はない。

図３は、ステータ２０の上部を、ロータ１２の側から見た端面図である。ただし、ここでは、ステータコア２２の上端面よりも上の構造に着目しており、ステータ２０に形成されたスロットについては図示を省略している。図３（ａ）に示すように、コイルエンド２４ｂは、複数のセグメントコイルの足によって形成されている。図示した状態では、これらの足が適宜曲げられている。そして、絶縁皮膜を被覆処理された先端の接続部同士が、重ねられ、溶接によって接続されて、接続領域２４ｃが形成されている。図３（ｂ）に示すように、コイルエンド２４ｂにおける絶縁皮膜された部位には、遮蔽シート２６が設置される。遮蔽シート２６は、その弾力性にともなう反力を利用することで、接着剤などを使用しなくても、この位置に取り付けることができる。ただし、次の固定工程において、遮蔽シート２６が動いてしまう場合には、例えば、接着剤などを利用して仮に位置決めすることも可能である。

図３（ｃ）に示すように、コイルエンド２４ｂの接続領域２４ｃを含む先端側は、遮蔽シート２６とともに、絶縁性の固定部材２８で覆われる。固定部材２８は、例えば、ワニス、モールド材、レーシングなどの固定材料によって形成される。具体的には、液体状態にあるこうした部材にコイルエンド２４ｂを浸した状態で、コイルに通電して加熱し、熱硬化させることで、固定部材２８を形成することができる。固定部材２８は、ステータコア２２よりも上側に配置されており、ステータコア２２の上端面との間には隙間３０が形成されている。この隙間３０は、ステータコア２２及びコイル２４で発生する熱を冷却する上で有用である。

図１に戻って、回転電機１０の説明を続ける。コイルエンド２４ｂよりも内周側には、レゾルバステータ３２が設けられている。レゾルバステータ３２は、レゾルバロータ１８の外周に隣接して設置され、レゾルバロータ１８とともに回転角度センサとしてのレゾルバを構成している。レゾルバステータ３２には、複数の鉄心及びその周りに巻回されたコイルを備える。そして、あるコイルで励磁された磁束が、レゾルバロータ１８の鉄心を経由して、別のコイルに戻ってくる際の信号を検出することで、レゾルバロータ１８の回転角度（これはロータ１２の回転角度でもある）を検出している。

続いて、回転電機１０の動作について説明する。回転電機１０では、ステータ２０に形成された各相のコイル２４が、図示していないインバータから３相交流の電力の供給を受けて、回転磁界を形成する。この回転磁界に応じて、ロータコア１６に形成された磁極が力を受ける。これにより、ロータコア１６及びロータシャフト１４を含むロータ１２全体が、回転軸回りに回転することになる。そして、ロータシャフトに取り付けられたレゾルバロータ１８も、同様に回転する。

レゾルバステータ３２の検出コイルでは、レゾルバロータ１８の回転に応じて、磁束が変化するために、起電力を生じる。この起電力の位相などを解析することで、レゾルバロータ１８の回転角度を検出する。

他方、コイル２４で発生した回転磁界に伴う磁束は、コイルエンド２４ｂから漏れ出す。そして、その一部は、ノイズとして、レゾルバステータ３２に伝達される。この結果、レゾルバステータ３２における角度検出の精度を低下させることになる。遮蔽シート２６は、このノイズを低下させるために設けられている。すなわち、コイルエンド２４ｂから漏れ出す磁束を、遮蔽シート２６における高透磁率の物質に集中させ、さらにその先の分布を制御することで、レゾルバステータ３２にノイズが伝わることを抑制している。レゾルバロータ１８において、ノイズの影響が大きい場合には、レゾルバロータ１８へのノイズの伝達防止も考慮される。

この結果、回転電機１０では、レゾルバによる回転角度の検出精度が向上することになる。遮蔽シート２６は、図２に示したように、シートを丸めて所定の位置に設置するだけで取り付けることができる。また、コイルエンド２４ｂの固定部材２８は、コイルエンド２４ｂの先端の接続領域２４ｃを絶縁処理するために用いられる構成であり、遮蔽シート２６を固定するために、あえて設けたものではない。したがって、非常に簡易な構成でありながら、遮蔽シート２６によって、レゾルバのノイズ低減を実現していると言える。

続いて、図４を用いて、変形例について説明する。図４は、図１に示したステータ２０の右半分に対応した図である。ここでは、ロータ１２や、レゾルバステータ３２の位置関係は同じであることを想定している。また、図４に示したステータ４０では、図１と同一の構成には、同一の符号を付しており、適宜説明を省略する。

図４に示したステータ４０では、遮蔽シート４２は、コイルエンド２４ｂの軸方向における先端部分まで到達している。このため、遮蔽シート４２は、コイルエンドが剥離処理された接続領域２４ｃにも接触する形で配置されている。しかし、遮蔽シート４２は、絶縁フィルムによって絶縁処理されているため、接続領域２４ｃを短絡させることはない。また、遮蔽シート４２は、ステータコア２２の側にも長く伸びている。このため、絶縁性の固定部材４４で被覆処理するにあたって、遮蔽シート４２のステータコア２２側の端部が、若干覆われずに露出している。

この結果、レゾルバステータ３２側におけるコイルエンド２４ｂの大半の部分が遮蔽シート４２によって遮蔽された状態となっている。磁束の流れは必ずしも直線的ではないため、遮蔽シート４２を通過した後の磁束の流れ次第では遮蔽が十分に行われない可能性もある。しかし、遮蔽シート４２の面積を増大させたことで、レゾルバへの磁気ノイズの伝達を抑制する可能性が高められている。

なお、遮蔽シート４２の一部が、固定部材４４で被覆されない場合には、遮蔽シート４２が十分な耐久性を有するか否かを検討しておくのがよい。例えば、ステータ４０に冷却オイルを垂らされるような場合には、冷却オイルによって遮蔽シート４２の劣化が進まないか検討しておく必要がある。また、高速回転するロータ１２からの風圧などによって、遮蔽シート４２の損傷が進まないか検討しておく必要がある。こうした影響が小さければ、遮蔽シート４２の一部は固定部材４４で覆われなくてもよい。しかし、影響が大きい場合には、遮蔽シート４２を全て固定部材４４で覆うのがよいと言える。

ここで、図５及び図６を参照して、別の変形例について説明する図である。図５は、図４と同様に、図１に示したステータ２０の右半分に対応した図であり、ロータ１２や、レゾルバステータ３２の位置関係は同じであることを想定している。また、図５に示したステータ５０では、図１と同一の構成には、同一の符号を付しており、適宜説明を省略する。

図５に示したステータ５０では、遮蔽シート５２が、コイルエンド２４ｂの内周側のみならず、軸方向側の端面の一部も覆っている。遮蔽シート５２に絶縁処理が施されていることで、接続領域２４ｃとの接点における絶縁性が確保されている点は、図４に示した変形例と同様である。この遮蔽シート５２の全体は、絶縁性の固定部材５４によって覆われている。

図６は、図２に対応する図であり、遮蔽シート５２を形成する過程を模式的に示している。図６（ａ）に示すように、遮蔽シート５２には、その一方の長辺側に、複数の凸部５６が設けられている。この凸部５６は折り曲げ処理される。このため、図６（ｂ）に示しように、遮蔽シート５２を丸めた場合には、一方の端面には凸部５６が花弁のように拡がる。この遮蔽シート５２を、コイルエンド２４ｂに設置することで、図５に示した磁気遮蔽構造が形成される。

遮蔽シート５２をコイルエンド２４ｂに設置する際には、凸部５６によって位置決めを行うことが容易となる。また、コイルエンド２４ｂの上端面の一部を遮蔽シート５２で覆うため、磁気遮蔽効果を高める作用が期待できる。なお、図６に示した凸部５６の大きさ、間隔などは一例であり、様々に変更することが可能である。

以上に説明した例では、図１に示したコイルエンド２４ｂと、レゾルバ（レゾルバロータ１８、レゾルバステータ３２）の位置関係を前提とした。ここでは、コイルエンド２４ｂの上端面が、軸方向にみて、レゾルバと同程度の付近に位置した。しかし、レゾルバは、この例よりも、ステータコア２２に近づいてもよい。また、レゾルバは、コイルエンド２４ｂの上端よりも軸方向にみて遠くに位置してもよい。いずれにしても、径方向（ロータシャフト１４から垂直に外に向かう方向）に見て、コイルエンド２４ｂよりも内側にあれば、磁気遮蔽効果が期待される。そして、磁気の分布を十分に検討して遮蔽シートを設定することで、磁気遮蔽効果を高めることが可能となる。なお、図１、図４、図５に示した遮蔽シート２６、４２、５２は、設置態様の一例にすぎず、さらに様々な態様をとることが可能である。

以上の説明においては、コイル２４は、セグメントコイルを接続することで形成されるものとした。しかし、ここに示した磁気遮蔽にかかる技術は、セグメントコイルを用いずに長い導線が巻回されたコイルを用いた回転電機にも適用可能である。

１０ 回転電機、１２ ロータ、１４ ロータシャフト、１４ａ ロータコア固定部、１４ｂ レゾルバロータ台、１６ ロータコア、１８ レゾルバロータ、２０、４０、５０ ステータ、２２ ステータコア、２４ コイル、２４ａ、２４ｂ コイルエンド、２４ｃ 接続領域、２６、４２、５２ 遮蔽シート、２８、４４、５４ 固定部材、３０ 隙間、３２ レゾルバステータ、５６ 凸部。

Claims (3)

1. ロータシャフトとロータコアを備え、前記ロータシャフトを回転軸として回転するロータと、
   前記ロータコアの外周側に配置され、複数のスロットが内周側に形成されたステータコアと、
   前記スロットに巻回されたコイルと、
   前記ロータに取り付けられ前記ロータとともに回転するレゾルバロータと、
   前記コイルが前記ステータコアの回転軸方向の端面外に突出することで形成されたコイルエンドより内周側で、かつ、前記レゾルバロータの周囲に設けられ、当該レゾルバロータの回転にともなう磁気変化に基づいて当該レゾルバロータの回転角度を検出するレゾルバステータと、
   を備えた回転電機の製造方法であって、
   前記レゾルバステータとの磁気結合を遮蔽するとともに可撓性を有する遮蔽シートを前記コイルエンドの内周面に沿う円筒状に丸めた状態で前記コイルエンドの内側に配置し、その際に生じる前記遮蔽シートの弾性力に伴う反力を利用して、前記遮蔽シートを前記コイルエンドの内周面に仮固定し、
   その後、前記コイルエンドの少なくとも一部を前記遮蔽シートとともに絶縁性の固定部材で覆うことで、前記遮蔽シートを固定する、
   ことを特徴とする回転電機の製造方法。
2. ロータシャフトとロータコアを備え、前記ロータシャフトを回転軸として回転するロータと、
   前記ロータコアの外周側に配置され、複数のスロットが内周側に形成されたステータコアと、
   前記スロットに巻回されたコイルと、
   前記ロータに取り付けられ前記ロータとともに回転するレゾルバロータと、
   前記コイルが前記ステータコアの回転軸方向の端面外に突出することで形成されたコイルエンドより内周側で、かつ、前記レゾルバロータの周囲に設けられ、当該レゾルバロータの回転にともなう磁気変化に基づいて当該レゾルバロータの回転角度を検出するレゾルバステータと、
   を備え、
   前記コイルエンドの内周側には、前記レゾルバステータとの磁気結合を遮蔽する可撓性のシート材を前記コイルエンドの内周面に沿う円筒形に丸めて構成される遮蔽シートが設けられ、
   前記コイルエンドを絶縁固定する固定部材が、前記遮蔽シートを固定する、ことを特徴とする回転電機。
3. 請求項２に記載の回転電機であって、
   前記遮蔽シートは、軟磁性粒子を樹脂フィルムで包んだシートを含む、ことを特徴とする回転電機。

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