JP2023045413A - ロータ - Google Patents

Abstract

【課題】ロータを効率的に冷却する。【解決手段】ロータ２０は、ロータコア３０、磁石４０、及びシート５０を備えている。ロータコア３０は、当該ロータコア３０を回転軸線に沿う方向に貫通する磁石孔３２を備えている。磁石４０は、磁石孔３２内に位置している。シート５０は、磁石孔３２の内壁面及び磁石４０の外面の間に介在している。シート５０は、磁石孔３２の内壁面及び磁石４０の外面によって圧縮されている。回転軸線に沿う方向で視たときに、シート５０は、凸条及び凹条が交互に繰り返された波形状である。【選択図】図３

Description

本発明は、ロータに関する。

特許文献１のモータジェネレータのロータは、ロータコアと、磁石と、シートとを備えている。ロータコアは、当該ロータコアを回転軸線に沿う方向に貫通する磁石孔を備えている。磁石は、磁石孔内に位置している。シートは、磁石の外面と磁石孔の内壁面との間に介在している。シートの材質は、繊維状の素材である。

特開２０２０－１４１５５２号公報

特許文献１に記載のようなモータジェネレータにおいては、当該モータジェネレータの駆動中にロータに冷媒を供給することがある。特許文献１に記載のようなロータでは、磁石の外面及び磁石孔の内壁面がシートで覆われている。そのため、ロータにおいてシートに覆われている部分には冷媒が行き亘りにくい。

上記課題を解決するためのロータは、回転軸線に沿う方向に貫通する磁石孔を有するロータコアと、前記磁石孔内に位置する磁石と、前記磁石孔の内壁面及び前記磁石の外面の間に介在しているシートと、を備えるロータであって、前記シートは、前記磁石孔の内壁面及び前記磁石の外面によって圧縮されており、前記回転軸線に沿う方向で視たときに、前記シートは、凸条及び凹条が交互に繰り返された波形状である。

上記構成によれば、シートと磁石の外面との間に、シートの凹条に沿って延びる隙間が生じる。同様に、シートと磁石孔の内壁面との間に、シートの凹条に沿って延びる隙間が生じる。これらの隙間が、冷媒の通路として機能するので、磁石の外面及び磁石孔の内壁面を冷媒で効率的に冷却できる。

モータジェネレータを示す断面図である。 ロータを示す平面図である。 ロータの磁石周辺を示す拡大平面図である。 作成工程における第１中間部材を示す説明図である。 圧縮行程を示す説明図である。 挿入工程を示す説明図である。 ロータの製造方法を示すフローチャートである。

＜モータジェネレータの構成＞
以下、本発明の一実施形態を図１～図７にしたがって説明する。先ず、モータジェネレータ１００の構成について説明する。

図１に示すように、モータジェネレータ１００は、シャフト１０、ロータ２０、及びステータ６０を備えている。以下では、ロータ２０が回転する際に中心となる軸線を回転軸線Ｊとして説明する。

ステータ６０の形状は、全体として円筒形状である。ステータ６０の中心軸線は、回転軸線Ｊと一致している。ステータ６０は、ステータコア７０、及び複数のコイル８０を備えている。ステータコア７０は、ステータコア本体７１、及び複数のティース７２を備えている。ステータコア本体７１の形状は、略円筒形状である。ティース７２は、ステータコア本体７１の内周面から突出している。ティース７２は、回転軸線Ｊに沿う方向においてステータコア本体７１の第１端から第２端まで延びている。複数のティース７２は、ステータコア本体７１の内周面に沿うように互いに等間隔で位置している。

ステータ６０は、ティース７２の数と同じ数のコイル８０を備えている。コイル８０は、ティース７２に巻き回されている。回転軸線Ｊに沿う方向において、コイル８０は、ステータコア７０の第１端から突出している。また、回転軸線Ｊに沿う方向において、コイル８０は、ステータコア７０の第２端から突出している。

ロータ２０は、ロータコア３０を備えている。ロータコア３０の形状は、略円柱形状である。ロータコア３０の中心軸線は、回転軸線Ｊと一致している。ロータコア３０の外径は、ステータ６０の内径よりも僅かに小さくなっている。ロータコア３０は、ステータ６０の内部に位置している。なお、図１では、ロータコア３０とステータ６０との間の隙間を省略して図示している。図示は省略するが、ロータコア３０は、略円板形状の複数の電磁鋼板を積層することにより構成されている。

ロータコア３０は、固定孔３１を備えている。固定孔３１は、回転軸線Ｊに沿う方向において当該ロータコア３０を貫通している。固定孔３１の中心軸線は、回転軸線Ｊと一致している。シャフト１０は、固定孔３１内に位置している。回転軸線Ｊに沿う方向において、シャフト１０は、ロータコア３０の第１端から突出している。また、回転軸線Ｊに沿う方向において、シャフト１０は、ロータコア３０の第２端から突出している。シャフト１０の形状は、略円棒形状である。シャフト１０の外径は、固定孔３１の径と略同じである。シャフト１０の外周面は、固定孔３１の内周面に固定されている。したがって、シャフト１０の中心軸線は、回転軸線Ｊと一致している。

図１に示すように、ロータコア３０は、複数の磁石孔３２を備えている。磁石孔３２は、回転軸線Ｊに沿う方向において当該ロータコア３０を貫通している。図２に示すように、磁石孔３２は、ロータコア３０の外周寄りの箇所に位置している。複数の磁石孔３２は、ロータコア３０の外周面に沿うように互いに等間隔で位置している。図２に示すように、回転軸線Ｊに沿う方向でロータ２０を視たときに、磁石孔３２の形状は、略長方形状である。ロータコア３０は、隣り合う２つの磁石孔３２を１組として合計８組の磁石孔３２を備えている。１組の磁石孔３２は、略Ｖ字形状に位置している。具体的には、１組の磁石孔３２は、回転軸線Ｊに近づくほど、互いの距離が近くなっている。

図２に示すように、ロータ２０は、複数の磁石４０、及び複数のシート５０を備えている。ロータ２０は、磁石孔３２の数と同じ数の磁石４０、すなわち合計１６個の磁石４０を備えている。磁石４０は、磁石孔３２内に位置している。磁石４０の形状は、略長方形板状である。図２に示すように、回転軸線Ｊに沿う方向でロータ２０を視たときに、磁石４０は、磁石孔３２よりも一回り小さくなっている。また、図１に示すように、回転軸線Ｊに沿う方向において、磁石４０は、ロータコア３０の第１端から第２端まで延びている。磁石４０は、永久磁石である。本実施形態において、磁石４０の一例は、鉄、ネオジム、及びホウ素等を原料とするネオジム磁石である。

図３に示すように、ロータ２０は、１つの磁石４０について、一対のシート５０を備えている。すなわち、本実施形態において、ロータ２０は、磁石４０の２倍の数のシート５０、具体的には合計３２個のシート５０を備えている。一対のシート５０の一方は、磁石４０における２つの主面の一方と磁石孔３２の内壁面との間に介在している。また、一対のシート５０の他方は、磁石４０における２つの主面の他方と磁石孔３２の内壁面との間に介在している。ここで、主面とは、磁石４０における６つの外面のうち、最も大きい外面である。

回転軸線Ｊに沿う方向でロータ２０を視たときに、シート５０の形状は、凸条及び凹条が交互に繰り返された波形状である。ここで、磁石４０の外面からシート５０を視たときの凸条は、磁石孔３２の内壁面からシート５０を視たときの凹条である。同様に、磁石４０の外面からシート５０を視たときの凹条は、磁石孔３２の内壁面からシート５０を視たときの凸条である。なお、図１及び図２では、シート５０を簡略化して図示している。

シート５０は、磁石孔３２の内壁面及び磁石４０の外面によって圧縮されている。したがって、シート５０は、当該シート５０の圧縮に対する反発力により磁石４０を保持している。シート５０の材質の一例は、熱可塑性樹脂繊維であるポリエーテルイミドの繊維と、無機繊維であるガラス繊維とを素材とした不織布である。

図３に示すように、シート５０は、複数の流通孔５１を備えている。各流通孔５１は、シート５０を、当該シート５０の厚み方向に貫通している。回転軸線Ｊに直交する方向において、複数の流通孔５１は、等間隔に並んでいる。さらに、回転軸線Ｊに沿う方向において、複数の流通孔５１は、等間隔に並んでいる。つまり、複数の流通孔５１は、マトリクス状に並んでいる。本実施形態において、流通孔５１の縁の形状は、略真円形状である。

＜ロータの製造方法＞
次に、ロータ２０の製造方法について説明する。図７に示すように、先ず、作業者等は、作成工程Ｓ１０を行う。図４に示すように、作成工程Ｓ１０において、作業者等は、第１中間部材５０Ａを準備する。第１中間部材５０Ａの材質は、シート５０の材質と同じである。また、第１中間部材５０Ａの形状は、略長方形帯状である。第１中間部材５０Ａの長辺の寸法は、回転軸線Ｊに沿う方向におけるシート５０の寸法と略同じである。また、第１中間部材５０Ａの短辺の寸法は、回転軸線Ｊに直交する方向におけるシート５０の寸法よりも長くなっている。具体的には、第１中間部材５０Ａの短辺の寸法は、シート５０の凸条及び凹条を形成するために、当該凸条及び凹条を形成する分だけ、回転軸線Ｊに直交する方向におけるシート５０の寸法よりも長くなっている。さらに、第１中間部材５０Ａは、当該第１中間部材５０Ａの厚み方向において貫通した流通孔５１を備えている。なお、第１中間部材５０Ａにおける複数の流通孔５１は、シート５０における複数の流通孔５１に対応した箇所に位置している。また、作成工程Ｓ１０において、作業者等は、ロータコア３０、及び磁石４０を準備する。

図７に示すように、作業者等は、作成工程Ｓ１０の次に、圧縮行程Ｓ２０を行う。図５に示すように、圧縮行程Ｓ２０において、作業者等は、プレス金型２００を用いて、第１中間部材５０Ａから第２中間部材５０Ｂを形成する。

図５に示すように、プレス金型２００は、上型２１０、及び下型２２０を備えている。上型２１０は、上型本体２１１を備えている。上型本体２１１の材質の一例は、銅合金である。上型本体２１１の形状は、シート５０の凸条及び凹条に対応している。下型２２０は、下型本体２２１を備えている。下型本体２２１の材質の一例は、銅合金である。下型本体２２１の形状は、上型本体２１１の形状に対応している。

上型２１０は、ヒータ２１２、冷却装置２１３、及び温度センサ２１４を備えている。ヒータ２１２は、上型本体２１１の内部に位置しており、当該上型本体２１１を加熱可能である。冷却装置２１３は、上型本体２１１の内部に位置しており、当該上型本体２１１を冷却可能である。温度センサ２１４は、上型本体２１１の温度を検出する。

下型２２０は、ヒータ２２２、冷却装置２２３、温度センサ２２４、及び荷重センサ２２５を備えている。ヒータ２２２は、下型本体２２１の内部に位置しており、当該下型本体２２１を加熱可能である。冷却装置２２３は、下型本体２２１の内部に位置しており、当該下型本体２２１を冷却可能である。温度センサ２２４は、下型本体２２１の温度を検出する。荷重センサ２２５は、下型本体２２１に取り付けられている。荷重センサ２２５は、上型本体２１１と下型本体２２１との間に挟まれる対象物に加わる力を検出する。

圧縮行程Ｓ２０において、作業者等は、上型本体２１１と下型本体２２１とを離間させた状態で、上型本体２１１と下型本体２２１との間に第１中間部材５０Ａを配置する。そして、作業者等は、下型本体２２１に対して上型本体２１１を接近させることにより、上型本体２１１と下型本体２２１との間に第１中間部材５０Ａを挟み込ませる。作業者等は、上記の状態で、第１中間部材５０Ａが予め定められた規定荷重Ｎで加圧されるように、上型本体２１１及び下型本体２２１の位置を調整する。ここで、規定荷重Ｎは、第１中間部材５０Ａのガラス繊維を弾性圧縮させるのに必要な最小荷重以上の大きさであり、且つ、ガラス繊維が折損する最小荷重未満の大きさとして、実験等により予め定められている。なお、作業者等は、規定荷重Ｎの調整にあたって、荷重センサ２２５の検出値を用いる。また、作業者等は、上記の状態で、ヒータ２１２により、上型本体２１１の温度を、予め定められた第１規定温度Ｚ１に調整する。このとき、作業者等は、温度センサ２１４の検出値を用いる。さらに、作業者等は、上記の状態で、ヒータ２２２により、下型本体２２１の温度を、予め定められた第１規定温度Ｚ１に調整する。このとき、作業者等は、温度センサ２２４の検出値を用いる。ここで、第１規定温度Ｚ１は、第１中間部材５０Ａのポリエーテルイミドのガラス転移温度以上であり、且つ、ポリエーテルイミドが気化する温度よりも低い温度として、実験等により予め定められている。本実施形態において、第１規定温度Ｚ１は、ポリエーテルイミドのガラス転移温度よりもやや高い温度として定められている。

以上のようにして第１中間部材５０Ａを第１規定温度Ｚ１で加圧する状態は、予め定められた第１規定期間Ｌ１維持される。ここで、第１規定期間Ｌ１は、第１中間部材５０Ａが第１規定温度Ｚ１である状態において、第１中間部材５０Ａのガラス繊維が弾性変形するのに十分な程度にポリエーテルイミドが軟化するのに必要な期間の長さとして、実験等により予め定められている。

その後、作業者等は、第１中間部材５０Ａの加圧を維持したまま、上型本体２１１の温度を、第１規定温度Ｚ１よりも温度が低い第２規定温度Ｚ２に調整する。また、作業者等は、第１中間部材５０Ａの加圧を維持したまま、下型本体２２１の温度を、第２規定温度Ｚ２に調整する。ここで、第２規定温度Ｚ２は、ポリエーテルイミドのガラス転移温度よりも低い温度として定められている。本実施形態において、第２規定温度Ｚ２は、ポリエーテルイミドのガラス転移温度よりもやや低い温度として定められている。なお、作業者等は、上型本体２１１及び下型本体２２１の温度を下げる際には、冷却装置２１３及び冷却装置２２３を用いてもよい。

以上のようにして第１中間部材５０Ａを第２規定温度Ｚ２で加圧する状態は、予め定められた第２規定期間Ｌ２維持される。ここで、第２規定期間Ｌ２は、第１中間部材５０Ａが第２規定温度Ｚ２である状態において、第１中間部材５０Ａのポリエーテルイミドが固化するのに必要な期間の長さとして、実験等により予め定められている。その結果、第１中間部材５０Ａから第２中間部材５０Ｂが形成される。第２中間部材５０Ｂは、シート５０と同様に、凸条及び凹条が交互に繰り返された波形状である。ただし、第２中間部材５０Ｂの厚みは、シート５０の厚みよりも薄くなっている。

その後、作業者等は、下型本体２２１に対して上型本体２１１を離間させることにより、上型本体２１１と下型本体２２１との間から第２中間部材５０Ｂを取り出す。この時点において、第２中間部材５０Ｂの無機繊維は、弾性圧縮された状態である。

図７に示すように、作業者等は、圧縮行程Ｓ２０の次に、挿入工程Ｓ３０を行う。図６に示すように、作業者等は、磁石４０を一対の第２中間部材５０Ｂで挟んだ状態で、磁石４０及び第２中間部材５０Ｂを、ロータコア３０の磁石孔３２に挿入する。上述したように、第２中間部材５０Ｂの厚みは、シート５０の厚みよりも薄くなっているため、磁石４０及び第２中間部材５０Ｂを重ね合わせた寸法は、磁石孔３２の短手方向の寸法よりも小さくなっている。したがって、磁石４０及び第２中間部材５０Ｂをロータコア３０の磁石孔３２に挿入する際には、磁石４０及び第２中間部材５０Ｂが磁石孔３２内へと速やかに移動する。同様に、作業者等は、ロータコア３０における全ての磁石孔３２に、磁石４０及び第２中間部材５０Ｂを挿入する。

図７に示すように、作業者等は、挿入工程Ｓ３０の次に、加熱工程Ｓ４０を行う。具体的には、作業者等は、温度調整可能な加熱炉を用いる。先ず、作業者等は、磁石４０及び第２中間部材５０Ｂが全ての磁石孔３２に挿入されたロータコア３０を、加熱炉内に入れる。そして、作業者等は、加熱炉内の温度を、予め定められた第３規定温度Ｚ３に調整する。ここで、第３規定温度Ｚ３は、第１中間部材５０Ａのポリエーテルイミドのガラス転移温度以上であり、且つ、ポリエーテルイミドが気化する温度よりも低い温度として、実験等により予め定められている。本実施形態において、第３規定温度Ｚ３は、第１規定温度Ｚ１と同じである。

以上のようにして加熱炉内の温度を第３規定温度Ｚ３にする状態は、予め定められた第３規定期間Ｌ３維持される。ここで、第３規定期間Ｌ３は、第２中間部材５０Ｂが第３規定温度Ｚ３である状態において、第２中間部材５０Ｂのガラス繊維が弾性変形するのに十分な程度にポリエーテルイミドが軟化するのに必要な期間の長さとして、実験等により予め定められている。その結果、第２中間部材５０Ｂが弾性復帰することにより、当該第２中間部材５０Ｂからシート５０が形成される。すなわち、ロータ２０が形成される。その後、作業者等は、加熱炉内からロータ２０を取り出すことにより、ロータ２０を常温に戻す。

＜本実施形態の作用＞
モータジェネレータ１００では、当該モータジェネレータ１００の駆動に起因した発熱を抑えるために、ステータ６０の周囲及びロータ２０の周囲に冷媒を流通させる。このとき、ステータ６０の周囲を流通する冷媒との熱交換により、ステータ６０が冷却される。また、ロータ２０の周囲を流通する冷媒との熱交換により、ロータ２０が冷却される。

＜本実施形態の効果＞
（１）本実施形態において、図３に示すように、回転軸線Ｊに沿う方向でロータ２０を視たときに、シート５０は、凸条及び凹条が交互に繰り返された波形状である。これにより、シート５０と磁石４０の外面との間に、シート５０の凹条に沿って延びる隙間Ｓ１が生じる。同様に、シート５０と磁石孔３２の内壁面との間に、シート５０の凹条に沿って延びる隙間Ｓ２が生じる。これらの隙間Ｓ１及び隙間Ｓ２は、冷媒が流通する通路として機能する。その結果、隙間Ｓ１及び隙間Ｓ２を流通する冷媒との熱交換により、磁石４０の外面及び磁石孔３２の内壁面を効率的に冷却できる。

（２）本実施形態において、磁石孔３２は、回転軸線Ｊに沿う方向において当該ロータコア３０を貫通している。そして、回転軸線Ｊに沿う方向でロータ２０を視たときに、シート５０は、凸条及び凹条が交互に繰り返された波形状である。したがって、上記の隙間Ｓ１及び隙間Ｓ２は、回転軸線Ｊに沿って延びている。これにより、例えば磁石孔３２の第１端から隙間Ｓ１及び隙間Ｓ２に冷媒が導入されると、その冷媒が隙間Ｓ１及び隙間Ｓ２に沿って流通することで磁石孔３２の第２端へと速やかに流れる。その結果、隙間Ｓ１及び隙間Ｓ２を流通する冷媒の量が多くできる。

（３）冷媒には、鉄粉などの微小な異物が含まれることがある。このような異物は、シート５０の繊維に詰まることがある。ここで、仮に、帯状のシートが磁石４０の外面と磁石孔３２内壁面との間に介在していると、当該シートの繊維に異物が詰まることに起因して、磁石４０の外面及び磁石孔３２の内壁面の周囲を冷媒が流通できなくなる。この場合、磁石４０の外面及び磁石孔３２の内壁面を十分に冷却できない可能性もある。

本実施形態では、シート５０の繊維に異物が詰まったとしても、隙間Ｓ１及び隙間Ｓ２を冷媒が流通できる。これにより、磁石４０の外面及び磁石孔３２の内壁面をより確実に冷却できる。

（４）本実施形態において、シート５０は、当該シート５０の厚み方向に貫通する複数の流通孔５１を備えている。すなわち、隙間Ｓ１及び隙間Ｓ２は、流通孔５１を介して連通している。したがって、隙間Ｓ１に部分的な詰まりが生じたとしても、流通孔５１を介して隣の隙間Ｓ２を流通する冷媒をその隙間Ｓ１へと導入できる。

＜変更例＞
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。

・上記実施形態において、ロータコア３０の構成は変更してもよい。
例えば、ロータコア３０が備えている磁石孔３２の数は変更してもよい。また、例えば、磁石孔３２の形状は、磁石４０及びシート５０の形状に合わせて変更してもよい。

・上記実施形態において、磁石４０の構成は変更してもよい。
例えば、磁石４０の形状は、磁石孔３２及びシート５０の形状に合わせて変更してもよい。

・上記実施形態において、シート５０の構成は変更してもよい。
例えば、シート５０における流通孔５１の縁の形状は、略真円形状に限らず、楕円形状、四角形状など適宜変更してもよい。さらに、流通孔５１を省略してもよい。

・例えば、シート５０の波形状は変更してもよい。例えば、凸条と凹条との間に、平坦な部分が存在していてもよい。また、全ての凸条及び凹条が同一の形状でなくてもよく、異なる形状の凸条及び凹条が存在していてもよい。

・例えば、シート５０の材質は変更してもよい。具体例としては、シート５０の材質は、アルミニウム合金、銅合金、フェノール樹脂、セラミック等を採用してもよい。すなわち、シート５０の形状が凸条及び凹条が交互に繰り返された波形状であり、当該シート５０の圧縮に対する反発力により磁石４０を保持できれば、シート５０の材質は適宜変更できる。なお、シート５０の材質を変更した場合には、そのシート５０の材質に合わせて、ロータ２０の製造方法を変更すればよい。一例として、シート５０の材質としてアルミニウム合金を採用した場合、作業者等は、シート５０が弾性圧縮する程度の力でシート５０及び磁石４０を把持する。そして、作業者等は、シート５０及び磁石４０を把持した状態で、シート５０及び磁石４０を磁石孔３２に挿入する。その結果、挿入されたシート５０が弾性復帰することで、シート５０により磁石４０を保持させることができる。

Ｊ…回転軸線
Ｓ１…隙間
Ｓ２…隙間
１０…シャフト
２０…ロータ
３０…ロータコア
３１…固定孔
３２…磁石孔
４０…磁石
５０…シート
５１…流通孔
６０…ステータ
７０…ステータコア
７１…ステータコア本体
７２…ティース
８０…コイル
１００…モータジェネレータ
２００…プレス金型
２１０…上型
２１１…上型本体
２１２…ヒータ
２１３…冷却装置
２１４…温度センサ
２２０…下型
２２１…下型本体
２２２…ヒータ
２２３…冷却装置
２２４…温度センサ
２２５…荷重センサ

Claims (1)

1. 回転軸線に沿う方向に貫通する磁石孔を有するロータコアと、
   前記磁石孔内に位置する磁石と、
   前記磁石孔の内壁面及び前記磁石の外面の間に介在しているシートと、を備えるロータであって、
   前記シートは、前記磁石孔の内壁面及び前記磁石の外面によって圧縮されており、
   前記回転軸線に沿う方向で視たときに、前記シートは、凸条及び凹条が交互に繰り返された波形状である
   ロータ。

Images