JP2020005449A - ロータ、及び、ロータの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】筒部材の破断を抑制すること。【解決手段】ロータ２０は、筒部材４１と、永久磁石２１と、第１シャフトと、第２シャフトと、を備える。筒部材４１は、繊維強化材料から構成されている。筒部材４１は、樹脂部４４と、繊維４６，４７と、を備える。筒部材４１は、筒部材４１の周方向に延びる状態で繊維４６が配向された第１層部５１と、筒部材４１の軸線方向に延びる状態で繊維４７が配向された第２層部５２と、を積層することにより構成されている。筒部材４１の最外層は、第１層部５１である。【選択図】図４

Description

本発明は、ロータ、及び、ロータの製造方法に関する。

特許文献１に開示されているように、回転電機のロータは、繊維強化材料から構成された筒部材と、筒部材内に配置された磁性体と、筒部材の軸線方向の両端部に取り付けられたシャフトと、を備える。筒部材により磁性体及びシャフトは保持されている。これにより、磁性体、筒部材、及び、シャフトは一体回転可能となっている。

特開２００４−１１２８４９号公報

ロータの回転により磁性体に作用する遠心力や、回転電機の使用による磁性体の熱膨張により、磁性体から筒部材に力が加わると、筒部材が破断するおそれがある。筒部材が破断すると、磁性体を保持する保持力が低下する。

本発明の目的は、筒部材の破断を抑制できるロータ、及び、ロータの製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するロータは、繊維強化材料から構成されており、樹脂部及び繊維を有する筒部材と、前記筒部材内に配置された磁性体と、前記筒部材の軸線方向の第１端部に取り付けられた第１シャフトと、前記筒部材の軸線方向の第２端部に取り付けられた第２シャフトと、を備え、前記筒部材は、前記筒部材の周方向に延びる状態で前記繊維が配向された第１層部と、前記筒部材の軸線方向に延びる状態で前記繊維が配向された第２層部と、を少なくとも積層することにより構成されており、前記筒部材の最外層は前記第１層部である。

ロータが回転すると、磁性体に作用する遠心力や、磁性体の熱膨張により、磁性体から筒部材に力が加わる。この力は、筒部材の外周面に向かうように作用するため、最外層が破断しやすい。第２層部では、筒部材の軸線方向に延びる状態で繊維が配向されているため、周方向に隣り合う繊維同士の間には樹脂部が介在する。一方で、第１層部では、筒部材の周方向に延びる状態で繊維が配向されているため、繊維は周方向に連続していることになる。仮に、第２層部を最外層とした場合、周方向に隣り合う繊維同士の間の樹脂部が介在しているため、この樹脂部が破断しやすい。これに対して、第１層部を最外層とすることで、周方向に延びる繊維により樹脂部が破断することを抑制できる。したがって、筒部材の破断を抑制できる。

上記課題を解決するロータの製造方法は、第１方向に延びる状態で配向された繊維に熱硬化性樹脂を含浸させた第１プリプレグと、前記第１方向に交差する方向である第２方向に延びる状態で配向された繊維に熱硬化性樹脂を含浸させた第２プリプレグと、を積層することで積層体を得る工程と、柱状の巻回部材に、前記第２プリプレグの繊維が前記巻回部材の軸線方向に延び、前記第１プリプレグの繊維が前記巻回部材の周方向に延び、かつ、前記第１プリプレグが最外層となるように前記積層体を巻回する工程と、巻回された前記積層体を加熱することで前記熱硬化性樹脂を硬化させる工程と、を含む。

第１プリプレグと第２プリプレグとを積層した積層体を加熱して、熱硬化性樹脂を硬化させると、第１プリプレグと第２プリプレグとが一体となり筒部材を製造することができる。第１プリプレグと第２プリプレグとを巻回する際に、第１プリプレグの繊維が巻回部材の周方向に延び、かつ、第１プリプレグが最外層となるようにすることで、筒部材の最外層では周方向に延びる状態で繊維が配向されることになる。従って、筒部材の破断を抑制できるロータを得ることができる。

本発明によれば、筒部材の破断を抑制できる。

回転電機の断面図。 ロータの断面図。 筒部材の一部を破断して示す断面図。 筒部材の一部を破断して示す断面図。 第１プリプレグと第２プリプレグの積層体を示す斜視図。 積層体をマンドレルに巻回する工程を示す斜視図。 マンドレルに巻回された積層体を示す模式図。 筒部材に永久磁石を圧入する工程を示す図。 筒部材に圧入された永久磁石を示す断面図。 ロータの作用を説明するための図。 変形例の筒部材を示す断面図。

以下、ロータ、及び、ロータの製造方法の一実施形態について説明する。
図１、及び、図２に示すように、回転電機１０は、ハウジング１１に収容されている。回転電機１０は、ステータ１２と、ロータ２０と、を備える。ステータ１２は、円筒状のステータコア１３と、ステータコア１３に巻かれたコイル１４と、を備える。ステータコア１３は、ハウジング１１の内面に固定されている。

ロータ２０は、筒部材４１と、磁性体である永久磁石２１と、第１シャフト３１と、第２シャフト３６と、を備える。筒部材４１は、繊維強化材料から構成されている。本実施形態において、筒部材４１は、炭素繊維強化プラスチック（Carbon Fiber Reinforced Plastic：CFRP）から構成されている。筒部材４１は、筒部材４１の軸線が直線状に延びる円筒状である。

永久磁石２１は、中実円柱状である。永久磁石２１は、永久磁石２１の径方向に着磁されている。永久磁石２１の軸線方向の寸法は、筒部材４１の軸線方向の寸法よりも短い。永久磁石２１の軸線方向の両端部２２，２３のうち一方を第１端部２２とし、他方を第２端部２３とする。

永久磁石２１は、筒部材４１内に配置されている。永久磁石２１の軸線は、筒部材４１の軸線と一致している。永久磁石２１は、筒部材４１の軸線方向の両端部４２，４３の間に配置されている。筒部材４１の軸線方向の両端部４２，４３には、永久磁石２１が配置されていない。本実施形態において、永久磁石２１は、筒部材４１に圧入されている。従って、筒部材４１から永久磁石２１には径方向に向かう圧縮力が作用し、この圧縮力により永久磁石２１は保持されている。

第１シャフト３１は、円柱状のシャフト本体３２と、シャフト本体３２からシャフト本体３２の径方向に突出するフランジ部３３と、を備える。フランジ部３３は、シャフト本体３２の軸線方向の一方の端面３４寄りに配置されている。第２シャフト３６は、円柱状のシャフト本体３７と、シャフト本体３７からシャフト本体３７の径方向に突出するフランジ部３８と、を備える。フランジ部３８は、シャフト本体３７の軸線方向の一方の端面３９寄りに配置されている。

第１シャフト３１の一部は、筒部材４１内に配置されている。詳細にいえば、筒部材４１の軸線方向の両端部４２，４３のうちの一方を第１端部４２、他方を第２端部４３とすると、第１シャフト３１のうち、フランジ部３３よりも端面３４側の部分は、第１端部４２に圧入されている。第２シャフト３６の一部は、筒部材４１内に配置されている。詳細にいえば、第２シャフト３６のうち、フランジ部３８よりも端面３９側の部分は、筒部材４１の第２端部４３に圧入されている。これにより、第１シャフト３１は、筒部材４１の第１端部４２に取り付けられており、第２シャフト３６は、筒部材４１の第２端部４３に取り付けられている。

ロータ２０のうち、永久磁石２１は、回転可能な状態でステータ１２の径方向内側に配置されている。ロータ２０のうち、両シャフト３１，３６は、ハウジング１１に支持された軸受１５に支持されている。コイル１４への通電により永久磁石２１が回転すると、永久磁石２１に一体の筒部材４１、及び、両シャフト３１，３６が永久磁石２１とともに一体回転する。

次に、筒部材４１について詳細に説明を行う。
図３、及び、図４に示すように、筒部材４１は、樹脂部４４と、繊維４６，４７と、を備える。樹脂部４４は、エポキシ樹脂や、フェノール樹脂などの熱硬化性樹脂を硬化させたものである。各繊維４６，４７は炭素繊維である。筒部材４１は、筒部材４１の周方向に延びる状態で繊維４６が配向された第１層部５１と、筒部材４１の軸線方向に延びる状態で繊維４７が配向された第２層部５２と、を積層することにより構成されている。

第１層部５１の繊維４６を第１繊維４６とすると、第１繊維４６は、筒部材４１の周方向の全体に亘って、連続して延びている。第１繊維４６は、筒部材４１内に配置される永久磁石２１を囲むように配置されることになる。第１繊維４６は、筒部材４１の軸線方向に複数配置されている。説明の便宜上、図示は簡略化しているが、複数の第１繊維４６は密に配置されており、筒部材４１の周方向に延びる第１繊維４６が軸線方向に複数配置されることで複数の第１繊維４６は円筒状をなしているといえる。なお、「筒部材４１の周方向に延びる」とは、筒部材４１を径方向から見た場合に、筒部材４１の中心軸と、第１繊維４６とが直交するように第１繊維４６が配向されている状態を示す。「直交」とは、筒部材４１の中心軸と第１繊維４６とが９０度で交わる状態だけでなく、公差の範囲内での角度のずれを許容するものである。例えば、公差が±１度であれば、直交とは筒部材４１の中心軸と、第１繊維４６とが８９度〜９１度で交わる態様を含む。

第２層部５２の繊維４７を第２繊維４７とすると、第２繊維４７は、筒部材４１の軸線方向の全体に亘って連続して延びている。第２繊維４７は、筒部材４１内に配置される永久磁石２１の軸線方向の全体に亘って樹脂部４４を介して重なり合うように配置されている。第２繊維４７は、筒部材４１の周方向に複数配置されている。説明の便宜上、図示は省略しているが、複数の第２繊維４７は密に配置されており、筒部材４１の軸線方向に延びる第２繊維４７が周方向に複数配置されることで複数の第２繊維４７は円筒状をなしているといえる。なお、「筒部材４１の軸線方向に延びる状態」とは、筒部材４１を径方向から見た場合に、筒部材４１の中心軸と、第２繊維４７とが平行となるように第２繊維４７が配向されている状態を示す。「平行」とは、筒部材４１の中心軸と第２繊維４７の延びる方向とが一致している状態だけでなく、公差の範囲内でのずれを許容するものである。例えば、公差が±１度であれば、「平行」とは筒部材４１の中心軸に対して、第２繊維４７の延びる方向が±１度ずれた方向に延びている態様も含む。

第１層部５１と第２層部５２とは、筒部材４１の径方向に複数積層されている。本実施形態では、第１層部５１と第２層部５２とは、２層ずつ積層されている。筒部材４１の最内層から最外層に向けて、第２層部５２→第１層部５１の順に交互に第１層部５１と第２層部５２とは積層されている。筒部材４１の最内層は第２層部５２であり、筒部材４１の最外層は第１層部５１である。

次に、ロータ２０の製造方法について説明する。
図５に示すように、まず、第１プリプレグ６１と第２プリプレグ６２とを積層することで積層体６３を得る。各プリプレグ６１，６２は、一方向に配向された繊維６４，６５に熱硬化性樹脂６６，６７を含浸させたシート状の材料である。第１プリプレグ６１は、熱硬化性樹脂６６と、繊維６４と、を備える。繊維６４は、第１プリプレグ６１の長さ方向に延びる状態で配向されている。第２プリプレグ６２は、熱硬化性樹脂６７と、繊維６５と、を備える。繊維６５は、第２プリプレグ６２の幅方向に延びる状態で配向されている。

第１プリプレグ６１と第２プリプレグ６２を積層する際には、第１プリプレグ６１の幅方向と第２プリプレグ６２の幅方向とが一致するように積層を行う。これにより、繊維６４，６５は、互いに直交するように配置されることになる。本実施形態では、第１プリプレグ６１の長さ方向が第１方向となり、第２プリプレグ６２の幅方向が第２方向となる。

次に、図６、及び、図７に示すように、円柱状の巻回部材であるマンドレル７１に積層体６３を巻回していく。積層体６３を巻回する際には、第２プリプレグ６２の繊維６５がマンドレル７１の軸線方向に延び、第１プリプレグ６１の繊維６４がマンドレル７１の周方向に延び、かつ、第１プリプレグ６１が最外層となるように巻回を行う。具体的にいえば、マンドレル７１の外周面と積層体６３の第２プリプレグ６２が接する状態で、第２プリプレグ６２の長さ方向がマンドレル７１の周方向に一致するように巻回を行う。これにより、積層体６３を巻回する回数に関わらず、第１プリプレグ６１が最外層となる。本実施形態の筒部材４１は、第１層部５１及び第２層部５２を２つずつ積層したものであるため、積層体６３をマンドレル７１に２回巻回する。積層体６３の巻回回数を変更することで、第１層部５１、及び、第２層部５２の数は任意に変更可能である。

次に、マンドレル７１に巻回された積層体６３を加熱する。積層体６３を加熱すると、熱硬化性樹脂６６，６７が軟化し、各プリプレグ６１，６２が一体となる。軟化した熱硬化性樹脂６６，６７を更に加熱すると、熱硬化性樹脂６６，６７が硬化する。熱硬化性樹脂６６，６７を硬化させた後、マンドレル７１を除去すると、筒部材４１が得られる。第１プリプレグ６１の熱硬化性樹脂６６及び第２プリプレグ６２の熱硬化性樹脂６７は筒部材４１の樹脂部４４を構成する。第１プリプレグ６１の繊維６４は、第１繊維４６を構成する。第２プリプレグ６２の繊維６５は、第２繊維４７を構成する。上記したように、本実施形態のロータ２０の製造方法は、積層体６３を得る工程と、積層体６３を巻回する工程と、巻回された積層体６３を加熱する工程と、を含む。

次に、図８に示すように、筒部材４１に永久磁石２１を圧入する。永久磁石２１を圧入する前の筒部材４１の内径Ｒ１は、永久磁石２１の直径Ｒ２よりも小さい。永久磁石２１を圧入する前の筒部材４１の内径Ｒ１と、永久磁石２１の直径Ｒ２との差が締め代となる。筒部材４１から永久磁石２１には、締め代に依存した保持力が作用する。

次に、図９に示すように、第１シャフト３１、及び、第２シャフト３６を筒部材４１に圧入する。第１シャフト３１及び第２シャフト３６についても、永久磁石２１と同様に、筒部材４１から作用する圧縮力にて筒部材４１に保持される。これにより、筒部材４１、永久磁石２１、及び、両シャフト３１，３６を一体化させたロータ２０が製造される。

実施形態の作用について説明する。
コイル１４に電流が流れると、ロータ２０が回転する。永久磁石２１には、ロータ２０の回転に伴い遠心力が作用する。また、永久磁石２１は、渦電流により発熱し、熱膨張する。永久磁石２１に作用する遠心力や、永久磁石２１の熱膨張により筒部材４１に加わる力は、筒部材４１の径方向外側に向かって作用する。結果として、筒部材４１には、筒部材４１の直径を大きくしようとする力が作用し、筒部材４１の外周面が周方向に拡がるように力が作用することになる。これにより、筒部材４１に径方向への力が加わった場合、最外層が最も破断しやすい。最外層が破断した場合、最外層よりも内側の層を最外層で保持することができず、筒部材４１全体が破断する原因にもなる。

ここで、第２層部５２では、筒部材４１の軸線方向に延びる状態で第２繊維４７が配向されているため、周方向に隣り合う第２繊維４７同士の間には微細な樹脂部４４が介在する。図１０に示すように、仮に、筒部材４１の最外層を第２層部５２とすると、筒部材４１の外周面が拡がるように筒部材４１に力が加わると、外周面から延びるクラックＣが生じるおそれがあり、樹脂部４４が破断しやすい。

一方で、第１層部５１では、筒部材４１の周方向に延びる状態で第１繊維４６が配向されているため、第１繊維４６は周方向に連続していることになる。本実施形態のように第１層部５１を最外層とすることで、外周面が拡がるように力が加わった際に、周方向に連続する第１繊維４６により樹脂部４４が破断することを抑制できる。したがって、筒部材４１の破断を抑制できる。

また、筒部材４１の外周面には、筒部材４１の径方向に窪むヒケが生じる。ヒケは、最外層に含まれる繊維４６，４７に沿って延びる。このため、図１０に示すように、筒部材４１の最外層を第２層部５２とした場合、筒部材４１の軸線方向に延びるヒケＤが生じることになる。すると、このヒケＤを原因として回転電機１０の使用時に風損が生じることになる。

一方で、筒部材４１の最外層を第１層部５１とした場合、筒部材４１の外周面に生じるヒケＤは、周方向に延びることになる。この場合、ヒケＤが筒部材４１の軸線方向に開口しないため、ヒケＤを原因とする風損が生じにくい。

実施形態の効果について説明する。
（１）筒部材４１を第１層部５１と第２層部５２との層構造とし、最外層を第１層部５１としている。これにより、筒部材４１が破断することを抑制できる。

（２）第２層部５２では、筒部材４１の軸線方向に延びる状態で第２繊維４７が配向されている。第２層部５２が積層されていない筒部材４１に比べると、筒部材４１における軸線方向に対する曲げ方向の剛性が高くなる。したがって、ロータ２０に共振が発生し難くなり、回転電機１０としての共振回転数が低下してしまうことが抑制される。

（３）永久磁石２１は、ロータ２０に圧入されている。筒部材４１の締め代が不足すると、永久磁石２１への保持力が不足し、締め代が過剰となると、筒部材４１を圧入するときに筒部材４１に過剰に応力が加わる。このため、筒部材４１の締め代には高い精度管理が求められるが、永久磁石２１や、筒部材４１の精度不良により、筒部材４１に過剰に応力が加わる場合がある。この応力は、筒部材４１の径方向に加わることになる。筒部材４１の最外層を第１層部５１としているため、永久磁石２１を圧入する際に応力が加わっても、遠心力による力が加わった場合と同様に、筒部材４１の破断を抑制できる。

（４）筒部材４１を製造する際には、第１プリプレグ６１が最外層となるように積層体６３を巻回している。これにより、最外層が第１層部５１となる筒部材４１を得ることができる。

（５）繊維に樹脂を含浸させながら、マンドレル７１に繊維を巻回するフィラメントワインディング方式で筒部材４１を製造する場合、軸線方向に延びるように巻回された繊維がマンドレル７１から外れやすい。このため、フィラメントワインディング方式で筒部材４１を製造する場合、第２層部５２の第２繊維４７を筒部材４１の軸線方向と平行にすることが困難である。これに対して、本実施形態のように第１プリプレグ６１と第２プリプレグ６２によって筒部材４１を製造することで、第２層部５２の第２繊維４７を筒部材４１の軸線方向と平行にすることが容易となる。

実施形態は、以下のように変更して実施することができる。実施形態及び以下の変形例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
○永久磁石２１は、筒部材４１内に配置されていればよく、筒部材４１の内面に接着されていてもよい。同様に、両シャフト３１，３６も、筒部材４１内に配置されていればよく、筒部材４１の内面に接着されていてもよい。

この場合、ロータ２０の製造方法としては、マンドレル７１に代えて、永久磁石２１、及び、両シャフト３１，３６に積層体６３を巻回する。そして、熱硬化性樹脂を加熱して硬化させることで、筒部材４１、永久磁石２１、及び、両シャフト３１，３６を一体化する。この場合、永久磁石２１及び両シャフト３１，３６が巻回部材となる。

○図１１に示すように、筒部材４１の最内層は、第１層部５１であってもよい。なお、図１１では、筒部材４１のうち最内層以外の層部については図示を省略している。第１層部５１では、第１繊維４６が筒部材４１の周方向に延びる状態で配向されているため、筒部材４１の内周面に対して永久磁石２１を圧入する際に、第１繊維４６が永久磁石２１に引っ掛かり難い。よって、筒部材４１の最内層を第２層部５２とした場合のように、筒部材４１に対して永久磁石２１を圧入する際に、樹脂部４４が永久磁石２１によって削られてしまうことを抑制することができる。

筒部材４１の最内層を第１層部５１とする場合、例えば、２つの第１プリプレグ６１で第２プリプレグ６２を挟むことで積層体６３を構成する。これにより、最内層及び最外層の両方が第１層部５１となる筒部材４１を得ることができる。

○筒部材４１は、第１層部５１及び第２層部５２がそれぞれ１層ずつ積層されることにより構成されていてもよい。
○積層体６３は、プリプレグ６１，６２を３層以上積層したものでもよい。

○第１層部５１及び第２層部５２は、例えば、成形金型内に各繊維４６，４７を配置して、成形金型内に熱硬化性樹脂を注入し、各繊維４６，４７に熱硬化性樹脂を含浸させた後、加熱することにより形成されてもよい。

○筒部材４１は、第１層部５１及び第２層部５２に加えて、例えば、繊維がヘリカル巻きであるヘリカル巻き層部をさらに有していてもよい。即ち、筒部材４１は、第１層部５１及び第２層部５２に加えて、繊維の配向方向が第１層部５１及び第２層部５２とは異なる層部を備えていてもよい。

○磁性体としては、永久磁石２１に限らず、例えば、積層コア、アモルファスコア、又は圧粉コア等であってもよい。
○永久磁石２１は、例えば、中実四角柱状であってもよく、永久磁石２１の形状は特に限定されるものではない。また、両シャフト３１，３６は、例えば、四角柱状であってもよく、両シャフト３１，３６の形状は特に限定されるものではない。そして、例えば、永久磁石２１が中実四角柱状であるとともに、両シャフト３１，３６が四角柱状である場合、筒部材４１が四角筒状に形成されている必要がある。したがって、筒部材４１の形状は、永久磁石２１、及び、両シャフト３１，３６の形状によって適宜変更してもよい。なお、筒部材４１の形状は、マンドレル７１の形状を変更することで変更可能である。

○繊維４６，４７として、有機繊維や無機繊維を使用してもよいし、異なる種類の有機繊維、異なる種類の無機繊維、又は有機繊維と無機繊維を混繊した混繊繊維を使用してもよい。有機繊維の種類としては、アラミド繊維、ポリ−ｐ−フェニレンベンゾビスオキサゾール繊維、超高分子量ポリエチレン繊維等が挙げられ、無機繊維の種類としては、炭素繊維の他に、ガラス繊維、セラミック繊維等が挙げられる。

２０…ロータ、２１…永久磁石（磁性体）、３１…第１シャフト、３６…第２シャフト、４１…筒部材、４４…樹脂部、４６，４７…繊維、５１…第１層部、５２…第２層部、６１…第１プリプレグ、６２…第２プリプレグ、６４，６５…繊維、７１…マンドレル（巻回部材）。

Claims (2)

1. 繊維強化材料から構成されており、樹脂部及び繊維を有する筒部材と、
   前記筒部材内に配置された磁性体と、
   前記筒部材の軸線方向の第１端部に取り付けられた第１シャフトと、
   前記筒部材の軸線方向の第２端部に取り付けられた第２シャフトと、を備え、
   前記筒部材は、
   前記筒部材の周方向に延びる状態で前記繊維が配向された第１層部と、
   前記筒部材の軸線方向に延びる状態で前記繊維が配向された第２層部と、を少なくとも積層することにより構成されており、
   前記筒部材の最外層は前記第１層部であるロータ。
2. 第１方向に延びる状態で配向された繊維に熱硬化性樹脂を含浸させた第１プリプレグと、前記第１方向に交差する方向である第２方向に延びる状態で配向された繊維に熱硬化性樹脂を含浸させた第２プリプレグと、を積層することで積層体を得る工程と、
   柱状の巻回部材に、前記第２プリプレグの繊維が前記巻回部材の軸線方向に延び、前記第１プリプレグの繊維が前記巻回部材の周方向に延び、かつ、前記第１プリプレグが最外層となるように前記積層体を巻回する工程と、
   巻回された前記積層体を加熱することで前記熱硬化性樹脂を硬化させる工程と、を含むロータの製造方法。