JP2020191734A - ロータの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】保持部材の径方向における引張強度を向上させることができるロータの製造方法を提供する。【解決手段】巻き付け工程において、複数の永久磁石３０が設けられたシャフト２０を、軸線Ｃを中心に回転させるとともに軸線方向に沿って移動させることで、繊維束５０を各永久磁石３０の外周に巻き付けるようにした。塗布工程において、各永久磁石３０の外周における繊維束５０が巻き付けられる予定の巻き付け予定部Ｐに対して塗布装置１３０により液状の樹脂６０を上方から連続的に塗布するようにした。【選択図】図５

Description

本発明は、ロータの製造方法に関する。

従来、ロータコアの外周に複数の永久磁石が設けられたロータを有するＳＰＭ（Surface Permanent Magnet）モータが知られている（例えば、特許文献１参照）。こうしたＳＰＭモータでは、遠心力による永久磁石のロータコアからの脱落を防ぐために、永久磁石の外周を覆う筒状の保持部材が設けられている。

こうした保持部材は、フィラメントワインディング法により形成されている。フィラメントワインディング法では、炭素繊維からなる繊維束に熱硬化性樹脂を含浸させるとともに当該繊維束を永久磁石の外周に巻き付ける。そして、熱硬化性樹脂を熱硬化させることにより保持部材を形成する。

特開２０１７−１９５６９５号公報

ところで、モータの出力を増大させるべく、ロータの回転数を増加させたり、永久磁石を大きくしたりすると、永久磁石に作用する遠心力が増大するため、保持部材の強度を高める必要が生じる。しかしながら、上述したように炭素繊維により形成された保持部材は、保持部材の周方向においては炭素繊維の延在方向と一致することから、優れた引張強度を有する。一方、保持部材の径方向においては、周方向、すなわち炭素繊維の延在方向に比べて、引張強度が劣るといった問題がある。

本発明の目的は、保持部材の径方向における引張強度を向上させることができるロータの製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するためのロータの製造方法は、ロータ本体と、前記ロータ本体の外周面に設けられる複数の永久磁石と、炭素繊維を有する繊維束及び前記繊維束に含浸された熱硬化性の樹脂を含み、前記複数の永久磁石の外周に巻き付けられることで前記複数の永久磁石を保持する保持部材と、を備えるロータの製造方法であって、前記複数の永久磁石が設けられた前記ロータ本体を、前記ロータ本体の軸線を中心に回転させるとともに前記ロータ本体の軸線方向に沿って移動させることで、前記繊維束を前記複数の永久磁石の外周に巻き付ける巻き付け工程と、前記複数の永久磁石の外周における前記繊維束が巻き付けられる予定の巻き付け予定部に対して塗布装置により液状の前記樹脂を上方から連続的に塗布する塗布工程と、を備える。

同方法によれば、塗布工程において、複数の永久磁石の外周における巻き付け予定部に対して塗布装置により液状の樹脂が上方から連続的に塗布される。これにより、巻き付け予定部に塗布される樹脂量を緻密に制御することができるため、繊維束に含浸される樹脂量が繊維束の位置によってばらつくことを抑制できる。これにより、樹脂が巻き付け予定部に必要以上に塗布されることを抑制できることから、保持部材における炭素繊維の含有率を高めることができる。

また、繊維束に含浸される樹脂量が繊維束の位置によってばらつくことを抑制できることから、熱硬化した樹脂にひずみや変形が生じることを抑制できる。このため、保持部材の強度や耐久性が低下することを抑制できる。

したがって、保持部材の径方向における引張強度を向上させることができる。

本発明によれば、保持部材の径方向における引張強度を向上させることができる。

ロータの製造方法の一実施形態について、ロータの構成を示す断面図。 同実施形態のロータの製造装置の構成を示す概略図。 同実施形態の巻き付け装置及び塗布装置を示す斜視図。 図３の４−４線に沿った断面図。 同実施形態の繊維束が巻き付けられている状態のシャフトを示す平面図。

以下、図１〜図５を参照して、ロータの製造方法の一実施形態について説明する。
まず、図１を参照して、本実施形態のロータの製造方法が適用されるロータ１０について説明する。

図１に示すように、ロータ１０は、回転軸としての円柱状のシャフト２０と、シャフト２０の外周面に設けられた複数（本実施形態では１２個）の永久磁石３０と、各永久磁石３０の外周に設けられ、各永久磁石３０の外周を保持する円筒状の保持部材４０とを備えている。なお、シャフト２０は、ロータ本体の一例である。

図３に示すように、シャフト２０は、各永久磁石３０が配置される本体部２１と、本体部２１の軸線Ｃに沿う軸線方向（以下、単に軸線方向と称する）の両端に形成され、本体部２１よりも拡径された拡径部２２とを有している。各拡径部２２は、ロータ１０を回転可能に支持するための軸受（図示略）が設けられる部分である。なお、図３及び図５では、各永久磁石３０同士の境界の図示を省略している。

図１に示すように、各永久磁石３０は、シャフト２０の軸線Ｃに直交する断面形状が軸線Ｃを中心とする円弧状をなしている。各永久磁石３０は、シャフト２０の本体部２１の外周に配置されることで、全体として略円筒状をなしている。

保持部材４０は、繊維束５０を各永久磁石３０の外周に巻き付けるとともに熱硬化性の樹脂６０を含浸させ、当該樹脂６０を熱硬化することにより形成されている。繊維束５０は、数千〜数万本の炭素繊維からなるフィラメントが一方向に配列されることにより構成されている。本実施形態の熱硬化性の樹脂６０は、エポキシ樹脂である。

次に、本実施形態のロータの製造方法に用いられるロータ１０の製造装置（以下、製造装置１００）について説明する。
図２及び図３に示すように、製造装置１００は、繊維束５０が巻き付けられたボビン１１０と、ボビン１１０から引き出された繊維束５０を各永久磁石３０の外周に巻き付ける巻き付け装置１２０と、各永久磁石３０の外周に上方から樹脂６０を塗布する塗布装置１３０とを備えている。ボビン１１０と巻き付け装置１２０との間には、繊維束５０の張力を測定する張力測定装置１８０が設けられている。

以下、製造装置１００の各構成について詳細に説明する。
＜ボビン１１０＞
図２に示すように、ボビン１１０は、例えば、パウダーブレーキなどのブレーキ装置（図示略）に接続されており、繊維束５０が所定の張力以上で引き出された場合に回転するように構成されている。本実施形態において、繊維束５０が引き出される際のボビン１１０の回転方向は、図２における時計回りの方向である。したがって、繊維束５０は、ボビン１１０の上方から引き出される。

＜巻き付け装置１２０＞
図３に示すように、巻き付け装置１２０は、各永久磁石３０が設けられたシャフト２０を軸線Ｃを中心に回転させるとともに、軸線方向に沿って往復動させることで繊維束５０を各永久磁石３０の外周に巻き付けるためのものである。

巻き付け装置１２０は、シャフト２０が配置されるとともに、アクチュエータ（図示略）によりシャフト２０の軸線方向に沿って往復動可能に設けられた駆動テーブル１２１と、駆動テーブル１２１の上面に固定され、シャフト２０を回転駆動させるモータ１２２とを備えている。

駆動テーブル１２１の上面には、軸線方向に互いに間隔をおいて設けられ、シャフト２０の各拡径部２２を回転可能に支持する一対の支持部１２３が設けられている。
シャフト２０の軸線方向の一方側における拡径部２２は、上述したように支持部１２３により回転可能に支持されるとともに、カップリング１２４を介してモータ１２２の出力軸に連結されている。したがって、モータ１２２が回転することにより、シャフト２０が回転する。なおシャフト２０の回転方向は、図２における反時計回りの方向である。したがって、繊維束５０は、シャフト２０の下方から巻き付けられる。

＜塗布装置１３０＞
図４に示すように、塗布装置１３０は、液状の、すなわち熱硬化される前の樹脂６０が貯留されるシリンダ１３１と、シリンダ１３１の下部に連結されたノズル１３２とを備えている。

シリンダ１３１の下部は、その他の部分よりも縮径されている。シリンダ１３１は、例えば、ポリプロピレンなどの樹脂材料により形成されている。
ノズル１３２は、樹脂６０を吐出する断面円形状の吐出口１３３を有している。ノズル１３２は、例えばステンレス鋼などの金属材料により形成されている。

吐出口１３３からは、樹脂６０を塗布する塗布具１３４が突出している。塗布具１３４は、例えば、ポリエステルなどの樹脂材料からなり、可撓性を有する刷毛により構成されている。塗布具１３４は、吐出口１３３の全周にわたって設けられているため、全体として略円柱状または略円筒状をなしている。塗布具１３４の直径は、繊維束５０の幅と略同一である。

図３及び図４に示すように、巻き付け装置１２０を挟んでボビン１１０とは反対側には、塗布装置１３０をシャフト２０の上方に配置するベース部１４０が配置されている。ベース部１４０には、塗布装置１３０のシリンダ１３１を保持する板状の保持部１４１が設けられている。保持部１４１は、シャフト２０の上方に位置している。保持部１４１には、上下方向に貫通した挿通孔１４２が形成されている。挿通孔１４２にシリンダ１３１が挿通されることで、塗布装置１３０がシャフト２０の上方において保持される。なお、塗布装置１３０は、塗布具１３４の先端が各永久磁石３０の外周面に接触する位置にて保持されている。

塗布装置１３０は、シリンダ１３１内において上下方向に沿って往復動可能に設けられたピストン部材１５０を備えている。
図４に示すように、ピストン部材１５０は、円盤状のピストンヘッド１５１と、ピストンヘッド１５１の上面に設けられた円柱状のピストンロッド１５２とを有している。

ピストンヘッド１５１は、樹脂材料により形成されている。なお、ピストンヘッド１５１の外周面には、環状のシール部材（図示略）が設けられている。
ピストンロッド１５２のピストンヘッド１５１とは反対側の端部には、外周に向けて突出したフランジ部１５３が全周にわたって設けられている。

ベース部１４０には、ピストン部材１５０を保持するとともに上下方向に変位させる変位ブロック１６０が設けられている。変位ブロック１６０は、ベース部１４０に設けられたアクチュエータ（図示略）により上下方向に往復動可能に設けられている。これにより、ピストン部材１５０がシリンダ１３１内を往復動する。

変位ブロック１６０には、ピストンロッド１５２のフランジ部１５３を含む上端部が収容される収容部１６１が形成されている。収容部１６１は、変位ブロック１６０の側部が切り欠かれることにより形成されている（図３参照）。

収容部１６１は、フランジ部１５３が嵌め込まれる座部１６２を有している。座部１６２の深さは、フランジ部１５３の厚みと略同一である。したがって、フランジ部１５３が座部１６２に嵌め込まれた状態において、フランジ部１５３の上面と、変位ブロック１６０の上面とは面一となる。

変位ブロック１６０の上面には、収容部１６１を上方から閉塞することで、変位ブロック１６０に対するピストン部材１５０の上方への移動を規制する板状の規制部１６３が設けられている。規制部１６３には、変位ブロック１６０の上面に設けられた回転軸（図示略）が挿通されている。これにより、規制部１６３は、座部１６２の上方を閉塞及び開放するように回転可能に設けられている。

塗布装置１３０のシリンダ１３１の外周面には、シリンダ１３１内の樹脂６０を加熱する加熱装置１７０が設けられている。本実施形態の加熱装置１７０は、例えば、シリコンゴムシート内に発熱線が埋め込まれたラバーヒータである。

＜張力測定装置１８０＞
図２に示すように、張力測定装置１８０は、ボビン１１０から引き出された繊維束５０を上方に持ち上げる第１ローラ１８１と、繊維束５０の延在方向において第１ローラ１８１の両側に配置された一対の第２ローラ１８２とを備えている。

第１ローラ１８１には、ロードセル（図示略）が接続されている。これにより、繊維束５０の張力が測定されている。なお、本実施形態では、張力測定装置１８０による測定結果、すなわち、繊維束５０の張力の値がボビン１１０に連結された上記ブレーキ装置にフィードバックされている、これにより、繊維束５０の張力が一定となるように上記ブレーキ装置が制御されている。

次に、ロータ１０の製造方法について説明する。
まず、各永久磁石３０が設けられたシャフト２０を巻き付け装置１２０の駆動テーブル１２１に配置する。

次に、ボビン１１０から繊維束５０を引き出すとともに、当該繊維束５０の端部を永久磁石３０の外周面に例えば接着剤などにより固定する。
次に、巻き付け装置１２０のモータ１２２を回転させるとともに駆動テーブル１２１を軸線方向に沿って往復動させる、すなわち、シャフト２０を軸線Ｃを中心に回転させるとともに軸線方向に沿って往復動させる。これにより、繊維束５０が各永久磁石３０の外周に巻き付けられるとともに、繊維束５０の層が複数積層される（巻き付け工程）。なお、本実施形態では、保持部材４０の外周面が拡径部２２の外周面と略面一となるまで繊維束５０の層を積層する。

図５に示すように、上記巻き付け工程と同時に、繊維束５０が次に巻き付けられる予定の巻き付け予定部Ｐ（同図に二点鎖線にて示す）には、塗布装置１３０により樹脂６０が上方から連続的に塗布される（塗布工程）。なお、１層目の層が形成される際の巻き付け予定部Ｐは、各永久磁石３０の表面であるが、２層目以降は、直前の層を構成する繊維束５０の表面である。したがって、本実施形態では、各層毎に樹脂６０が塗布されている。

上記塗布工程において、塗布具１３４の先端は、巻き付け予定部Ｐの表面に接触している。ここで、上述したように、塗布具１３４の直径は、繊維束５０の幅と略同一である。このため、樹脂６０は、巻き付け予定部Ｐの幅方向の全体にわたって塗布される。

また、上記塗布工程において、変位ブロック１６０を降下させることにより、シリンダ１３１内に設けられたピストン部材１５０を吐出口１３３に向けて単位時間当たり一定の変位量にて降下させる。これにより、吐出口１３３から吐出される樹脂量が一定になりやすくなる。

ここで、上記塗布工程に先立ち、加熱装置１７０により、シリンダ１３１内に貯留されている樹脂６０を樹脂６０の熱硬化温度よりも低い所定の温度まで加熱する（加熱工程）。これにより、樹脂６０の粘度が小さくなることで樹脂６０の流動性が高まる。

次に、最後の層が形成された状態において、当該最後の層を構成する繊維束５０の端部を拡径部２２の外周面に複数回巻き付けるとともに、上記端部を当該拡径部２２と共にクランプ部材（図示略）により挟持する。なお、拡径部２２に巻き付けられた繊維束５０には、樹脂６０が塗布されない。

次に、上記クランプ部材により挟持されたシャフト２０を加熱炉（図示略）に収容して、樹脂６０を熱硬化させる。
最後に、上記クランプ部材を取り外すとともに、拡径部２２における熱硬化されていない繊維束５０の端部を除去する。これにより、保持部材４０が形成される。

このようにして、ロータ１０が製造される。
本実施形態の作用について説明する。
塗布工程において、各永久磁石３０の外周における巻き付け予定部Ｐに対して塗布装置１３０により樹脂６０が上方から連続的に塗布される。これにより、巻き付け予定部Ｐに塗布される樹脂量を緻密に制御することができるため、繊維束５０に含浸される樹脂量が繊維束５０の位置によってばらつくことを抑制できる。これにより、樹脂６０が巻き付け予定部Ｐに必要以上に塗布されることを抑制できることから、保持部材４０における繊維束５０の含有率を高めることができる。

また、繊維束５０に含浸される樹脂量が繊維束５０の位置によってばらつくことを抑制できることから、熱硬化した樹脂６０にひずみや変形が生じることを抑制できる。このため、保持部材４０の強度や耐久性が低下することを抑制できる。

本実施形態の効果について説明する。
（１）巻き付け工程において、複数の永久磁石３０が設けられたシャフト２０を、軸線Ｃを中心に回転させるとともに軸線方向に沿って移動させることで、繊維束５０を各永久磁石３０の外周に巻き付けるようにした。塗布工程において、各永久磁石３０の外周における繊維束５０が巻き付けられる予定の巻き付け予定部Ｐに対して塗布装置１３０により液状の樹脂６０を上方から連続的に塗布するようにした。

こうした方法によれば、上記作用を奏することから、保持部材４０の径方向における引張強度を向上させることができる。
（２）樹脂６０を貯留するシリンダ１３１と、シリンダ１３１の下部に設けられ、樹脂６０を吐出する吐出口１３３と、可撓性の刷毛を有し、吐出口１３３から突出するとともに巻き付け予定部Ｐの表面に接触することで樹脂６０を塗布する塗布具１３４とを備える塗布装置１３０を用いるようにした。

こうした方法によれば、塗布工程において、シリンダ１３１に貯留されている液状の樹脂６０が自重により吐出口１３３を通じて巻き付け予定部Ｐに向けて吐出される。このとき、吐出口１３３から吐出される樹脂６０は、表面張力により可撓性の刷毛を有する塗布具１３４に向けて流動することで、塗布具１３４の全体に分布する。このため、塗布具１３４を巻き付け予定部Ｐの表面に接触させることで、巻き付け予定部Ｐに対して連続的に塗布される樹脂量が繊維束５０の位置によってばらつくことを一層抑制できる。

（３）シリンダ１３１内に設けられたピストン部材１５０を吐出口１３３に向けて単位時間当たり一定の変位量にて降下させるようにした。
こうした方法によれば、シリンダ１３１内に貯留されている樹脂量によらず、吐出口１３３から吐出される樹脂量のばらつきを低減できる。

（４）加熱工程では、塗布工程に先立ち、シリンダ１３１内に貯留されている液状の樹脂６０を樹脂６０の熱硬化温度よりも低い所定の温度まで加熱するようにした。
こうした方法によれば、塗布工程に先立ち、シリンダ１３１内に貯留されている樹脂６０が上記所定の温度まで加熱されることで樹脂６０の粘度が小さくなる。このため、吐出口１３３の断面積を小さくした場合であっても吐出口１３３を通じて樹脂６０を円滑に吐出することができる。これにより、樹脂量を抑えながらも樹脂６０を連続的に塗布することができるため、巻き付け予定部Ｐに塗布される樹脂量をより緻密に制御することができる。したがって、繊維束５０を硬化させるために必要な樹脂量を確保しながらも、保持部材４０における繊維束５０の含有率を高めることができる。

本実施形態は、以下のように変更して実施することができる。本実施形態及び以下の変更例は、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。
・張力測定装置１８０は、測定結果をブレーキ装置にフィードバックしなくてもよい。

・永久磁石３０の数は、適宜変更することができる。
・ロータ１０の製造方法は、少なくとも１つの層が形成される毎に、塗布具１３４が巻き付け予定部Ｐに接触する状態を維持しつつ塗布具１３４を上昇させる上昇工程を備えるものであってもよい。

・上記変更例において、１つの層が形成される毎に当該１つの層の厚み分だけ塗布具１３４を上昇させるようにしてもよいし、複数の層が形成される毎に当該複数の層の厚み分だけ塗布具１３４を上昇させるようにしてもよい。なお、塗布具１３４の上昇量は適宜変更することもできる。

・加熱装置１７０は、シリンダ１３１内の樹脂６０を加熱できるものであればよく、シリンダ１３１内に配置されるものであってもよい。
・加熱装置１７０に代えて、シリンダ１３１を保持する保持部１４１を加熱するようにしてもよい。

・樹脂製のシリンダ１３１を金属製のシリンダにするとともに、当該シリンダに通電することで樹脂６０を加熱するようにしてもよい。
・加熱装置１７０は、省略することもできる。

・ピストン部材１５０は省略することもできる。この場合、樹脂６０を自重により吐出口１３３から吐出させればよい。
・シリンダ１３１とノズル１３２とが一体に構成された塗布装置を採用することもできる。

・塗布具１３４は、可撓性を有する刷毛であることが好ましく、その材料は特に限定されない。塗布具は、例えば、ポリエステルとは異なる樹脂材料からなる刷毛により構成されるものであってもよいし、人毛、獣毛、及び植物などからなる刷毛により構成されるものであってもよい。

・吐出口１３３及び塗布具１３４の断面形状は、軸線Ｃに沿って長い扁平形状をなすものであってもよい。
・保持部材４０を構成する繊維束５０の層の数は、適宜変更することができる。

・樹脂６０は、熱硬化性の樹脂であれば、エポキシ樹脂に限定されない。他に例えば、フェノール樹脂であってもよい。
・本発明の適用対象は、ロータ本体がシャフト２０により構成されるものに限定されない。他に例えば、シャフトと、当該シャフトの外周に設けられるロータコアとにより構成されるロータ本体を有するロータに対しても本発明を適用することができる。この場合、ロータコアの外周に複数の永久磁石３０が設けられ、各永久磁石３０の外周に保持部材４０が設けられる。

１０…ロータ、２０…シャフト、２１…本体部、２２…拡径部、３０…永久磁石、４０…保持部材、５０…繊維束、６０…樹脂、１００…製造装置、１１０…ボビン、１２０…巻き付け装置、１２１…駆動テーブル、１２２…モータ、１２３…支持部、１２４…カップリング、１３０…塗布装置、１３１…シリンダ、１３２…ノズル、１３３…吐出口、１３４…塗布具、１４０…ベース部、１４１…保持部、１４２…挿通孔、１５０…ピストン部材、１５１…ピストンヘッド、１５２…ピストンロッド、１５３…フランジ部、１６０…変位ブロック、１６１…収容部、１６２…座部、１６３…規制部、１７０…加熱装置、１８０…張力測定装置、１８１…第１ローラ、１８２…第２ローラ。

Claims (5)

1. ロータ本体と、前記ロータ本体の外周面に設けられる複数の永久磁石と、炭素繊維を有する繊維束及び前記繊維束に含浸された熱硬化性の樹脂を含み、前記複数の永久磁石の外周に巻き付けられることで前記複数の永久磁石を保持する保持部材と、を備えるロータの製造方法であって、
   前記複数の永久磁石が設けられた前記ロータ本体を、前記ロータ本体の軸線を中心に回転させるとともに前記ロータ本体の軸線方向に沿って移動させることで、前記繊維束を前記複数の永久磁石の外周に巻き付ける巻き付け工程と、
   前記複数の永久磁石の外周における前記繊維束が巻き付けられる予定の巻き付け予定部に対して塗布装置により液状の前記樹脂を上方から連続的に塗布する塗布工程と、を備える、
   ロータの製造方法。
2. 前記塗布装置として、液状の前記樹脂を貯留するシリンダと、前記シリンダの下部に設けられ、前記樹脂を吐出する吐出口と、可撓性の刷毛を有し、前記吐出口から突出するとともに前記巻き付け予定部の表面に接触することで前記樹脂を塗布する塗布具と、を備えるものを用いる、
   請求項１に記載のロータの製造方法。
3. 前記シリンダ内に設けられたピストン部材を前記吐出口に向けて単位時間当たり一定の変位量にて降下させる、
   請求項２に記載のロータの製造方法。
4. 前記塗布工程に先立ち、前記シリンダ内に貯留されている液状の前記樹脂を当該樹脂の熱硬化温度よりも低い所定の温度まで加熱する加熱工程を備える、
   請求項２または請求項３に記載のロータの製造方法。
5. 前記巻き付け工程において、前記複数の永久磁石が設けられた前記ロータ本体を前記軸線方向に沿って往復動させることで、前記複数の永久磁石の外周に前記繊維束の層を複数積層し、
   少なくとも１つの前記層が形成される毎に、前記塗布具が前記巻き付け予定部に接触する状態を維持しつつ前記塗布具を上昇させる上昇工程を備える、
   請求項２〜請求項４のいずれか一項に記載のロータの製造方法。