JP6155574B2 - 永久磁石電動機、ロータ構造体、および、ロータ構造体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、永久磁力を用いて軸を中心に回転する永久磁石電動機、ロータ構造体、および、ロータ構造体の製造方法に関する。
に関する。

電気自動車等の駆動力を要する装置においては、永久磁石やコイルを通じて回転トルクを得る電動機（モータ）が用いられている。例えば、ＳＰＭ（Surface Permanent Magnet）モータ等の永久磁石電動機では、ロータ（回転子）の外周面に永久磁石を配し、ステータ（固定子）のコイルに流す電流でその回転を制御している。

永久磁石電動機は、回転トルクの線形性に優れ、制御し易い等の利点を有する反面、永久磁石をシャフトに固定するのが難しいといった問題もある。したがって、永久磁石電動機では、一般に、環状に形成された永久磁石の外周を、さらに環状の強度部材で覆い、その強度部材を通じて永久磁石をシャフトに固定している。こうして、永久磁石に生じる回転トルクをシャフトに伝達することが可能となる。

また、永久磁石を強度部材で覆う際、強度部材で永久磁石を圧縮（予圧縮）することで（例えば、特許文献１〜６）、ロータの回転に伴う遠心力によって永久磁石が引張力を受けたとしても永久磁石が破壊されにくくなり、永久磁石が受けた回転トルクを確実にシャフトに伝達することが可能となる。

特開２０１１−２５９５７４号公報 特開２０１１−０１５５７１号公報 特開２０１１−１２５２１２号公報 特開２００７−２０２３７１号公報 特開２００５−３１２２５０号公報 特許第３４８４０５１号

近年、電動機の高出力化および高速化に伴い、遠心力によって永久磁石が受ける引張力も増大しつつある。したがって、強度部材による圧縮力が適当でなければ、永久磁石が引張力によって破壊されるおそれもある。

また、上述したように、永久磁石はその外周を覆う強度部材を通じてシャフトに固定され、シャフトと永久磁石とは直接的に接合されていない。したがって、永久磁石が破壊されると、シャフトと永久磁石との間の空隙により、永久磁石の破片が移動自在となり、永久磁石電動機の出力自体が低下し、安定的な回転を維持することが困難となってしまう。

このように、永久磁石の破壊が生じると電動機の回転を維持することが困難になってしまう状況下においては、永久磁石の破壊を確実に回避すべく、強度部材の圧力を冗長に高めなければならない。そうすると、強度部材の厚さが増し、電動機の大型化や高コスト化を招くことになる。

そこで本発明は、このような課題に鑑み、永久磁石の破壊による電動機の回転への影響を軽減し、大型化や高コスト化を招くことなく、安定した回転を実現可能な、永久磁石電動機、ロータ構造体、および、ロータ構造体の製造方法を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の永久磁石電動機は、環状のステータと、ステータの環の中に挿入されるシャフトと、シャフトの外周に位置しステータとの相互作用により回転トルクを得る永久磁石、および、永久磁石の外周を環状に覆うとともにシャフトに固定される強度部材を有するロータと、を備え、少なくともシャフトと永久磁石との間に形成される空隙には充填部材が充填され、シャフトには、シャフトの内部を通り、シャフトの外周面のうち永久磁石に対向する面に位置する１または複数の開口部とシャフトの他の部位に位置する開口部とを連通する連通孔が設けられ、空隙の永久磁石の軸方向端部において、充填部材が存在することを特徴とする。

上記課題を解決するために、本発明のロータ構造体は、シャフトと、シャフトの外周に位置する永久磁石、および、永久磁石の外周を環状に覆うとともにシャフトに固定される強度部材を有するロータと、を備え、少なくともシャフトと永久磁石との間に形成される空隙には充填部材が充填され、シャフトには、シャフトの内部を通り、シャフトの外周面のうち永久磁石に対向する面に位置する１または複数の開口部とシャフトの他の部位に位置する開口部とを連通する連通孔が設けられ、空隙の永久磁石の軸方向端部において、充填部材が存在することを特徴とする。

上記課題を解決するために、シャフトとロータとからなるロータ構造体を製造する本発明の製造方法は、ロータの永久磁石をシャフトの外周に位置させ、円筒形状の成型治具に挿通する工程と、少なくともシャフトと永久磁石との隙間に、固化前の充填部材を導入する工程と、充填部材が固化した後、成型治具を抜出する工程と、充填部材により連結したシャフトと永久磁石とを強度部材に圧入する工程と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、永久磁石の破壊による電動機の回転への影響を軽減し、大型化や高コスト化を招くことなく、安定した回転を実現することが可能になる。

電動機の回転軸を含むＸＺ断面図である。 ロータ構造体の比較例を説明するための説明図である。 ロータ構造体を説明するための説明図である。 ロータ構造体の他の例を説明するための説明図である。 圧入後充填の処理の流れを説明するための説明図である。 圧入前充填の処理の流れを説明するための説明図である。 ロータ構造体の他の例を説明するための説明図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

（永久磁石電動機１）
図１は、永久磁石電動機１の回転軸を含むＸＺ断面図である。図１に示すように、永久磁石電動機１は、筐体１０と、ステータ（固定子）１２と、シャフト１４と、ラジアル軸受１６と、ロータ（回転子）１８とを含んで構成される。永久磁石電動機（所謂ＰＭモータ）１には、ＳＰＭモータやＩＰＭ（Interior Permanent Magnet）モータ等があり、回転トルクの線形性に優れ、かご形誘導電動機と比較しても動力変換効率が高く、小型化に適しているといった特徴がある。本実施形態では、永久磁石電動機１としてＳＰＭモータを挙げて説明するが、ＩＰＭモータについても同様の効果が得られるのはいうまでもない。

筐体１０は、円筒状に形成され永久磁石電動機１の外観を構成する。ステータ１２は、筐体１０内側で筐体１０内面に沿って環状に配された複数のコア１２ａそれぞれにコイル１２ｂを巻回して形成される。

シャフト１４は、ステータ１２の環の中に挿入される。具体的に、シャフト１４は、棒状のシャフト本体１４ａと、ステータ１２に対向し、シャフト本体１４ａより径の大きい肉厚部１４ｂと、その肉厚部１４ｂのＸ軸後方においてさらに径方向外側に環状に突出した突出部１４ｃとから構成される。ラジアル軸受１６は、例えばベアリング等を通じてシャフト１４を回転自在に軸支し、シャフト１４を通じたラジアル方向の荷重を受ける。

ロータ１８は、シャフト１４に固定されるとともに、ステータ１２の環の中に挿入される。ロータ１８の外周面とステータ１２の内周面との間には、回転によってロータ１８がステータ１２に接触しない程度の、例えば、０．５〜１ｍｍ程度の隙間（エアギャップ）が設けられている。また、ロータ１８は、永久磁石１８ａと、強度部材１８ｂと、充填部材１８ｃとを含んで構成される。以下、各部位を説明する。

永久磁石１８ａは、シャフト１４の肉厚部１４ｂの外周に位置し、ステータ１２との相互作用により回転トルクを得る。かかる永久磁石１８ａは、円筒形状であり、シャフト１４の肉厚部１４ｂを永久磁石１８ａに挿通してシャフト１４と永久磁石１８ａとの位置決めを行う。

このとき、永久磁石１８ａをシャフト１４に直接接合（固定）するのは困難なため、ここでは、金属やＦＲＰ（Fiber Reinforced Plastics）等の強度部材１８ｂを通じて永久磁石１８ａをシャフト１４に固定する。具体的に、強度部材１８ｂは、永久磁石１８ａのさらに外周を覆い、永久磁石１８ａに圧縮力を印加することで摩擦力によって永久磁石１８ａとの位置関係を維持する。また、強度部材１８ｂは、同時に、シャフト１４の突出部１４ｃにも圧縮力を印加することで永久磁石１８ａとシャフト１４との位置関係を維持し、永久磁石１８ａに生じる回転トルクをシャフト１４に伝達することが可能となる。

このように強度部材１８ｂが永久磁石１８ａに径方向内側に向かって圧縮力を印加することで、永久磁石１８ａとシャフト１４との相対位置が維持されるのみならず、ロータ１８の回転に伴う遠心力によって永久磁石１８ａが引張力を受けたとしても、それを圧縮力で相殺することができ、永久磁石１８ａの破壊リスクを低減することができる。

しかし、永久磁石電動機１の高出力化および高速化に伴い永久磁石１８ａが受ける引張力も増大しており、破壊リスクは高まっている。ここで、永久磁石１８ａの破壊リスクを０（ゼロ）に近づけようとすると、強度部材１８ｂの圧力を冗長に高めなければならず、強度部材１８ｂの高圧力化による永久磁石電動機１の大型化や高コスト化を招くことになる。そこで、本願発明者は、永久磁石１８ａの破壊による永久磁石電動機１の回転への影響自体を軽減することに着目した。

以下、永久磁石電動機１を構成する一部分であるロータ構造体２０を挙げて永久磁石１８ａの破壊による永久磁石電動機１の回転への影響について説明する。ロータ構造体２０は、シャフト１４とロータ１８とを組み合わせたものである。

図２は、ロータ構造体２０の比較例を説明するための説明図であり、図３は、本実施形態におけるロータ構造体２０を説明するための説明図である。

図２（ａ）のＸＺ断面図および図２（ｂ）のＹＺ断面図に示すように、シャフト１４の肉厚部１４ｂの外周面と永久磁石１８ａの内周面との間には、永久磁石１８ａを環状の状態のままシャフト１４の肉厚部１４ｂに挿通するため、および、シャフト１４に印加される引張力が永久磁石１８ａの負荷とならないように空隙３０が設けられており、永久磁石１８ａを強度部材１８ｂで単に圧縮しただけでは、空隙３０がそのまま維持されることとなる。

かかる比較例において、強度部材１８ｂが永久磁石１８ａに印加している圧力が十分でない場合、永久磁石１８ａがロータ１８の回転に伴う引張力によって破壊されるおそれがある。永久磁石１８ａが仮に破壊されたとすると、肉厚部１４ｂと永久磁石１８ａとの間の空隙３０により、図２（ｃ）の拡大図の如く、永久磁石１８ａの破片が自由に移動することができるようになる。

このように永久磁石１８ａの破片が自由に移動すると、その破片自体の回転により個々の破片の磁力の方向が破壊前の方向と異なるようになり、磁力の方向の統一性が崩れ、回転トルクが減退することとなる。また、質量の異なる個々の破片が無秩序に移動することから、永久磁石１８ａ全体としての径方向の質量バランスも崩れ、ロータ１８の回転自体に支障を来すこともある。すなわち、単純に強度部材１８ｂによって永久磁石１８ａに圧力を印加するのみの構成では、永久磁石１８ａの破壊による永久磁石電動機１の回転への影響が大きくなり、永久磁石電動機１の出力自体が低下して、安定的な回転を維持することが困難となる。

そこで、本実施形態では、図３（ａ）のＸＺ断面図および図３（ｂ）のＹＺ断面図に示すように、少なくとも、シャフト１４の肉厚部１４ｂと永久磁石１８ａとの間に、可撓性を有する樹脂等の充填部材１８ｃを充填（モールド）する。

こうすることで、図３（ｃ）の拡大図のように、永久磁石１８ａが破壊されたとしても、その破片が移動することはなく、回転移動もできなくなるので、個々の破片の磁力の方向が破壊前の方向に維持され、全体の磁力低下が生じにくい。また、破片の移動がない限り、質量分布の変動が生じないので、永久磁石１８ａ全体としての径方向の質量バランスも維持され、ロータ１８の回転自体に支障を来すこともなく、安定した回転を維持することが可能となる。

また、このような充填部材１８ｃの構成により、永久磁石１８ａの破壊による永久磁石電動機１の回転への影響を軽減できるので、強度部材１８ｂの圧縮力を冗長に高める必要もなくなり、強度部材１８ｂの径方向の厚みを薄く形成でき、強度部材１８ｂの高圧力化による電動機の大型化や高コスト化を回避することが可能となり、設計自由度を高めることができる。

さらに、強度部材１８ｂの径方向の厚みを薄く形成すると、永久磁石１８ａとステータ１２との距離（ギャップ）も短くなり、動力変換効率や出力をさらに高めることができる。

しかし、上述した充填部材１８ｃの構成により、永久磁石１８ａの破壊を許容することができるが、実際に永久磁石１８ａが破壊されると、強度部材１８ｂと永久磁石１８ａとの摩擦力が低減し、永久磁石１８ａと強度部材１８ｂとの位置関係を十分に維持できなくなるおそれがある。そこで、本実施形態では、シャフト１４から径方向外方に延在する延在部１４ｄを設ける。

図４は、ロータ構造体２０の他の例を説明するための説明図である。図４のＹＺ断面図に示すように、延在部１４ｄは、シャフト１４の周方向に間隔を等しくして複数（ここでは４つ）設けられている。

したがって、永久磁石１８ａは、上記延在部１４ｄと干渉しないように複数（ここでは４つ）に分割されたものとなる。永久磁石１８ａの分割片は、それぞれ、内面がシャフト１４の肉厚部１４ｂの外周面に沿った弧状に形成され、その弧の長さは延在部１４ｄ間の長さ以下となる。ここでは、延在部１４ｄの数や永久磁石１８ａの分割片の数を４つとしたが、両者の数は任意の数とすることができ、例えば１：２等、異ならせることもできる。

また、充填部材１８ｃは、シャフト１４の肉厚部１４ｂと永久磁石１８ａとの間のみならず、このような延在部１４ｄと永久磁石１８ａとの間にも充填され、永久磁石１８ａの周囲はすべて充填部材１８ｃで満たされることとなる。ただし、延在部１４ｄと永久磁石１８ａとの間の空間は小さいので、ここでは延在部１４ｄと永久磁石１８ａとの間の充填部材１８ｃの図示を省略する。

延在部１４ｄは、永久磁石１８ａの円周方向に位置するため、永久磁石１８ａに生じる回転トルクを延在部１４ｄの周方向側面で直接受けることができる。換言すれば、永久磁石１８ａが延在部１４ｄを直接押圧することとなる。したがって、永久磁石１８ａと延在部１４ｄとの接合強度の強弱に拘わらず、永久磁石１８ａに生じる回転トルクを確実にシャフト１４に伝達することが可能となる。

また、仮に、永久磁石１８ａが破壊された場合、永久磁石１８ａから強度部材１８ｂへは、強度部材１８ｂの圧縮による摩擦力を通じて回転トルクが伝達されていたため、破壊により摩擦力が減退すると回転トルクの伝達が困難になる場合があったが、永久磁石１８ａから延在部１４ｄについては、接合力の有無に拘わらず回転トルクが伝達されるので、回転トルクの伝達に影響を及ぼさない。

（ロータ構造体２０の製造方法１）
以下では、ロータ構造体２０の製造方法、すなわち、充填部材１８ｃの充填方法を２つのパターンに分けて説明する。１つ目は、強度部材１８ｂにシャフト１４と永久磁石１８ａとを圧入した後に充填部材１８ｃを充填する圧入後充填であり、２つ目は、シャフト１４と永久磁石１８ａとの間に予め充填部材１８ｃを充填させて、強度部材１８ｂに圧入する圧入前充填である。

図５は、圧入後充填の処理の流れを説明するための説明図である。圧入後充填では、充填部材１８ｃを流し込むための通路をシャフト１４に設けておく。具体的に、図５（ａ）に示すように、シャフト１４には、シャフト１４の内部を通り、シャフト１４の外周面のうち永久磁石１８ａに対向する部位（肉厚部１４ｂ）に位置する１または複数の開口部２２ａと、シャフト本体１４ａの他の部位、ここでは、シャフト本体１４ａのＸ軸前方先端の開口部２２ｂとを連通する連通孔２２ｃが設けられている。

まず、図５（ｂ）のように、シャフト１４に４つに分割された永久磁石１８ａを嵌合し、図５（ｃ）のように、永久磁石１８ａおよびシャフト１４の突出部１４ｃを強度部材１８ｂに圧入する。こうして、永久磁石１８ａとシャフト１４との位置関係が維持される。

そして、図５（ｄ）のように、シャフト１４の開口部２２ｂから充填部材１８ｃを注入する。充填部材１８ｃは、連通孔２２ｃを介して開口部２２ａから流出し、肉厚部１４ｂと永久磁石１８ａとの間や延在部１４ｄと永久磁石１８ａとの間等、ロータ１８内で外気に晒されるあらゆる空隙３０を充填し、充填完了すると肉厚部１４ｂのＸ軸前方から溢れ出る。この時点で充填部材１８ｃの注入を停止し、溢れ出た部分の充填部材１８ｃを排除して、圧入後充填を完了する。

かかる圧入後充填によるロータ構造体２０の製造方法１では、シャフト１４の加工を要するものの、従来の製造過程に、連通孔２２ｃのシャフト１４側から充填部材１８ｃを注入するという単純作業を加えることのみで、シャフト１４と永久磁石１８ａとの空隙３０に充填部材１８ｃを適切に充填することができる。

（ロータ構造体２０の製造方法２）
図６は、圧入前充填の処理の流れを説明するための説明図である。ここでは、シャフト１４の突出部１４ｃや延在部１４ｄより径の大きい円筒形状の成型治具３２を準備する。まず、図６（ａ）のように、永久磁石１８ａをシャフト１４の外周に位置させ、成型治具３２に挿通し（挿通工程）、少なくともシャフト１４と永久磁石１８ａとの隙間（空隙３０）に、図６（ｂ）の如く、充填部材１８ｃを導入する（充填部材導入工程）。

所定時間経過し、充填部材１８ｃが固化すると、図６（ｃ）のように、成型治具３２をシャフト１４や永久磁石１８ａから抜出し（抜出工程）、永久磁石１８ａの外周で固化した充填部材１８ｃを研磨する（研磨工程）。そして、図６（ｄ）のように、充填部材１８ｃにより連結したシャフト１４と永久磁石１８ａとを強度部材１８ｂに圧入して（圧入工程）、圧入前充填を完了する。

かかる圧入前充填によるロータ構造体２０の製造方法２では、圧入後充填と比較して、成型治具３２を用いる分、多少の作業工程が増えるが、シャフト１４への加工が不要なため、既存の部品をそのまま利用しつつ、シャフト１４と永久磁石１８ａとの空隙３０に充填部材１８ｃを適切に充填することができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上述した実施形態においては、図４のように、シャフト１４の肉厚部１４ｂから径方向外方に延在部１４ｄを延在させ、そこで永久磁石１８ａが受けた回転トルクを伝達していたが、かかる延在部１４ｄは、シャフト１４に限らず、図７の如く、強度部材１８ｂから径方向内方に延在してもよい（延在部１８ｄ）。この場合、回転トルクは、永久磁石１８ａから強度部材１８ｂを通じてシャフト１４に伝達されることとなる。

本発明は、永久磁力を用いて軸を中心に回転する永久磁石電動機、ロータ構造体、および、ロータ構造体の製造方法に利用することができる。

１ …永久磁石電動機
１２ …ステータ
１４ …シャフト
１４ｂ …肉厚部
１４ｃ …突出部
１４ｄ …延在部
１８ …ロータ
１８ａ …永久磁石
１８ｂ …強度部材
１８ｃ …充填部材
２０ …ロータ構造体
２２ａ、２２ｂ …開口部
２２ｃ …連通孔
３０ …空隙
３２ …成型治具

Claims (3)

1. 環状のステータと、
   前記ステータの環の中に挿入されるシャフトと、
   前記シャフトの外周に位置し前記ステータとの相互作用により回転トルクを得る永久磁石、および、該永久磁石の外周を環状に覆うとともに該シャフトに固定される強度部材を有するロータと、
   を備え、
   少なくとも前記シャフトと前記永久磁石との間に形成される空隙には充填部材が充填され、
   前記シャフトには、該シャフトの内部を通り、該シャフトの外周面のうち前記永久磁石に対向する面に位置する１または複数の開口部と該シャフトの他の部位に位置する開口部とを連通する連通孔が設けられ、
   前記空隙の前記永久磁石の軸方向端部において、前記充填部材が存在することを特徴とする永久磁石電動機。
2. シャフトと、
   前記シャフトの外周に位置する永久磁石、および、該永久磁石の外周を環状に覆うとともに該シャフトに固定される強度部材を有するロータと、
   を備え、
   少なくとも前記シャフトと前記永久磁石との間に形成される空隙には充填部材が充填され、
   前記シャフトには、該シャフトの内部を通り、該シャフトの外周面のうち前記永久磁石に対向する面に位置する１または複数の開口部と該シャフトの他の部位に位置する開口部とを連通する連通孔が設けられ、
   前記空隙の前記永久磁石の軸方向端部において、前記充填部材が存在することを特徴とするロータ構造体。
3. シャフトとロータとからなるロータ構造体を製造する製造方法であって、
   前記ロータの永久磁石を前記シャフトの外周に位置させ、円筒形状の成型治具に挿通する工程と、
   少なくとも前記シャフトと前記永久磁石との隙間に、固化前の充填部材を導入する工程と、
   前記充填部材が固化した後、前記成型治具を抜出する工程と、
   前記充填部材により連結した前記シャフトと前記永久磁石とを前記強度部材に圧入する工程と、
   を有することを特徴とするロータ構造体の製造方法。

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