JP2020005450A - ロータ - 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、筒部材４１の外周面に密着する被覆部材６１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２層部５２である。被覆部材６１は、樹脂部４４よりも引張強度、及び、ヤング率が大きい。【選択図】図４

Description

本発明は、ロータに関する。

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、前記筒部材の外周面に密着する被覆部材と、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２層部であり、前記被覆部材は、前記筒部材の前記樹脂部よりも引張強度、及び、ヤング率が大きい。

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。これにより、筒部材の外周面は周方向に拡がるように変形しようとし、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。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。被覆部材は、筒部材の外周面を覆っているため、被覆部材には筒部材からの力が作用する。被覆部材は、筒部材の樹脂部よりも引張強度が大きいため、樹脂部よりも破断しにくい。また、被覆部材は、筒部材の樹脂部よりもヤング率が大きいため、筒部材からの力を受けても伸びにくく、被覆部材と筒部材との間に空隙が生じにくい。このため、被覆部材により筒部材の外周面を覆うと、被覆部材により筒部材の変形を抑制でき、筒部材の破断を抑制できる。

上記ロータについて、前記被覆部材は、等方性材料製であってもよい。
被覆部材を、異方性材料製とした場合、被覆部材の一部について、部分的に強度が弱くなる部分が生じ得る。これに対して、被覆部材を等方性材料製とすることで、被覆部材の一部について、部分的に強度が弱くなることを抑制できる。

上記ロータについて、前記等方性材料は、金属であってもよい。
これによれば、筒部材の劣化を抑制でき、ロータを長期間に亘って使用することができる。

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、及び、被覆部材の一部を破断して示す断面図。 筒部材、及び、被覆部材の一部を破断して示す断面図。

以下、ロータ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、筒部材４１の外周面に密着する被覆部材６１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、第１端部２２の端面に向けて徐々に直径が小さくなるテーパ部２４を備える。永久磁石２１は、第２端部２３の端面に向けて徐々に直径が小さくなるテーパ部２５を備える。即ち、永久磁石２１の両端部２２，２３は、面取りされている。永久磁石２１において、テーパ部２４，２５同士の間の部分は、直径が一定である磁石本体２６となる。

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。

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。

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。

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１層部５１→第２層部５２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１層部５１であり、筒部材４１の最外層は第２層部５２である。

被覆部材６１は、円筒形状である。本実施形態において、被覆部材６１の軸線方向の寸法は、筒部材４１の軸線方法の寸法と同一である。被覆部材６１の内径は、筒部材４１の外径よりも僅かに大きい。被覆部材６１には、筒部材４１が圧入されている。被覆部材６１の内周面は、周方向の全体に亘って筒部材４１の外周面に密着している。被覆部材６１と筒部材４１とは隙間なく接していると言える。なお、ここでいう「隙間なく接している」とは、被覆部材６１や、筒部材４１の製造上生じ得る僅かな隙間を許容するものである。

被覆部材６１は、樹脂部４４よりも引張強度、及び、ヤング率が大きい。被覆部材６１の引張強度、及び、ヤング率は、被覆部材６１を構成する材料の物性により定まる。従って、樹脂部４４よりも引張強度、及び、ヤング率が大きい材料を選定し、被覆部材６１を当該材料製とすることで、樹脂部４４よりも引張強度、及び、ヤング率が大きい被覆部材６１を得られる。本実施形態の被覆部材６１は等方性材料製である。詳細には、被覆部材６１は、チタン合金やニッケル合金等の金属製である。

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。このため、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が生じるおそれがあり、樹脂部４４が破断しやすい。

本実施形態では、筒部材４１の最外層である第２層部５２は、被覆部材６１によって覆われている。被覆部材６１は、筒部材４１に密着して、筒部材４１の変形を抑える補強部材として機能している。

ここで、被覆部材６１の引張強度は、樹脂部４４の引張強度よりも大きいため、永久磁石２１からの力が筒部材４１に作用した場合に、樹脂部４４よりも先に被覆部材６１が破断することが抑制されている。仮に、被覆部材６１が破断すると、被覆部材６１から筒部材４１への保持力が弱くなり、被覆部材６１を補強する力が弱まることになる。本実施形態のように、被覆部材６１を破断しにくくすることで、被覆部材６１を筒部材４１の補強部材として機能させることができる。

また、被覆部材６１のヤング率は、樹脂部４４のヤング率よりも大きいため、永久磁石２１からの力が筒部材４１に作用した場合に、樹脂部４４よりも被覆部材６１が伸びにくい。仮に、被覆部材６１が伸びると、被覆部材６１の内周面と筒部材４１の外周面との間に空隙が生じ得る。すると、被覆部材６１から筒部材４１への保持力が作用せず、筒部材４１を補強することができない。本実施形態のように、被覆部材６１の内周面と筒部材４１の外周面との間に空隙が生じにくくすることで、被覆部材６１を筒部材４１の補強部材として機能させることができる。

上記したように、被覆部材６１を補強部材として機能させるためには、被覆部材６１の引張強度、及び、ヤング率の両方が樹脂部４４よりも大きい必要がある。本実施形態のように、被覆部材６１の引張強度、及び、ヤング率の両方を樹脂部４４よりも大きくすることで、筒部材４１の適切な補強が可能となる。

実施形態の効果について説明する。
（１）筒部材４１の外周面に密着する被覆部材６１は、樹脂部４４よりもヤング率、及び、引張強度が大きい。これにより、永久磁石２１からの力が筒部材４１を介して被覆部材６１に加わった際に、被覆部材６１の破断、及び、被覆部材６１の伸びを抑制できる。従って、被覆部材６１により筒部材４１の外周面を覆うことで、筒部材４１の変形を抑えることができ、筒部材４１が破断することを抑制することができる。

（２）被覆部材６１は、等方性材料製である。仮に、被覆部材６１を異方性材料製とした場合、被覆部材６１の一部について、部分的に強度が弱くなるおそれがある。例えば、被覆部材６１を繊維強化材料製とした場合、繊維の先端部分では部分的に強度が弱くなるおそれがあり、この部分が破断するおそれがある。これに対して、被覆部材６１を等方性材料製とすることで、被覆部材６１の一部について、部分的に強度が弱くなることを抑制できる。

（３）被覆部材６１で筒部材４１を覆っているため、ハウジング１１の内部に液体などが侵入した場合に、筒部材４１に液体が掛かるのを抑制できる。被覆部材６１で筒部材４１を保護することで、筒部材４１の腐食を抑制することができる。

（４）被覆部材６１は、金属製である。このため、酸性の液体などに対する耐性が高く、被覆部材６１の耐薬品性を向上させることができる。結果として、筒部材４１の劣化を抑制でき、長期間に亘ってロータ２０を使用することができる。

（５）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。被覆部材６１を設けていることで、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。

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。
○被覆部材６１を構成する等方性材料としては、チタン合金やニッケル合金以外の金属を用いてもよい。金属としては、合金に限られず、純金属を用いてもよい。

○被覆部材６１を構成する等方性材料は、樹脂であってもよい。樹脂の種類としては、例えば、ポリアセタールやポリアミド等のエンジニアリングプラスチックや、フッソ樹脂が挙げられる。

○被覆部材６１は、等方性材料とは異なる材料から製造されていてもよい。例えば、被覆部材６１は、炭素繊維強化プラスチックなどの繊維強化材料製であってもよい。この場合、樹脂部４４とは異なる種類の樹脂や、繊維４６，４７とは異なる種類の繊維を用いることで、被覆部材６１の引張強度、及び、ヤング率を樹脂部４４よりも大きくする。なお、被覆部材６１を繊維強化材料とする場合、当該繊維強化材料の樹脂部が筒部材４１の樹脂部４４よりも引張強度、及び、ヤング率が大きくなるようにしてもよいし、当該繊維強化材料の繊維が筒部材４１の樹脂部４４よりも引張強度、及び、ヤング率が大きくなるようにしてもよい。また、繊維強化材料全体の引張強度、及び、ヤング率が筒部材４１の樹脂部４４よりも大きくなるようにしてもよい。いずれの場合であっても、被覆部材６１を補強部材として機能させることができる。

○被覆部材６１は、筒部材４１の外周面に接着されていてもよい。この場合、被覆部材６１の内周面は、接着剤を介して筒部材４１の外周面に密着することになる。このように、被覆部材６１の内周面が筒部材４１の外周面に密着する態様には、被覆部材６１の内周面と筒部材４１の外周面とが直接接する態様だけでなく、接着剤などを介して間接的に接する態様も含まれる。

○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。

○筒部材４１の最内層は、第２層部５２であってもよい。また、筒部材４１の第１層部５１と第２層部５２とは、交互に積層されていなくてもよい。即ち、筒部材４１は、第１層部５１と第２層部５２とを備え、最外層が第２層部５２であればよく、その他の層部はどのように積層されていてもよい。

○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。
○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更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。更に、筒部材４１を四角筒状とした場合、被覆部材６１も四角筒状とする必要がある。従って、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く、被覆部材６１の形状は、筒部材４１の形状によって適宜変更してもよい。

○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…被覆部材。

Claims (3)

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、
   前記筒部材の外周面に密着する被覆部材と、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２層部であり、
   前記被覆部材は、前記筒部材の前記樹脂部よりも引張強度、及び、ヤング率が大きいロータ。
2. 前記被覆部材は、等方性材料製である請求項１に記載のロータ。
3. 前記等方性材料は、金属である請求項２に記載のロータ。