JP6626699B2 - 回転電動機のロータおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、回転電動機のロータおよびその製造方法に関し、特にハイブリッド自動車や電気自動車に搭載される同期電動機のロータおよびその製造方法に関する。

同期電動機のロータは、一般的には電磁鋼板を積層したロータコアと、前記ロータコアの内部に複数個挿入された磁石からなる。ロータ内に磁石を固定する方法は、従来は接着材およびエンドリングによるものが一般的であるが、近年、トランスファーモールドにより磁石を固定する方法も採用されている。

ロータの性能維持、信頼性確保の観点から、磁石を固定する接着剤の割れやはく離による磁石の脱落や、磁石同士の接触を避ける必要がある。このため、例えば特許文献１においては、接着材およびエンドリングによってロータコアに固定された磁石と磁石の間に変形可能な介挿部材を設け、電動機の使用最低温度においても磁石同士が接触しないようにする構造が提案されている（特許文献１）。

また、磁石の固定をトランスファーモールドによる構造としては、特許文献２に示すように、磁石の角に面取りを設け、磁石と磁石の間にトランスファーモールド樹脂が入りやすくなるようにした構造が提案されている。この構造においては、磁石と磁石の間にトランスファーモールド樹脂を入りやすくすることにより、磁石と磁石が接触することが無いようにしている。

一方、トランスファーモールドにより磁石をロータコアに固定する際に磁石の挿入状態の確認を容易にする等の生産性の向上が求められている。

特開２０１３−２１９９７０号公報 特開２００７−２１５３５７号公報

本発明が解決しようとする課題は、ロータの生産性を向上させることである。

また、本発明が解決しようとする別の課題は、磁石の固定に必要なエンドプレートを不要とすることで、ロータの軽量化および製造コスト低減を図ることである。

また、本発明が解決しようとする別の課題は、ロータ内に挿入された磁石の間隔をほぼ均一にすることで、ロータのバランスを向上し、モータのバランス向上工程を簡素化、あるいは省略し、モータの生産性を向上させることである。

本発明に係る回転電機のロータは、複数の磁石と、前記複数の磁石の間に配置される弾性部材と、前記複数の磁石及び前記弾性部材の収納空間を形成するコアと、前記収納空間に充填させるモールド材と、を備え、前記収納空間は、前記コアの少なくとも片方の端面に繋がっており、前記弾性部材は、前記複数の磁石の配列方向に沿って圧縮され、前記複数の磁石のうち少なくとも一つの第１磁石の一部は、前記コアの前記片方の端面側において前記モールド材から露出する。

本発明により、回転電動機のロータの生産性を向上させることが可能である。

本発明によるロータ構造の、１実施例を示す断面図である。 従来技術によるロータ構造を示す断面図である。 本発明によるロータ構造の、他の実施例を示す断面図である。 本発明によるロータ構造の製造工程の１実施例を示す断面図であり、弾性部材２ａ〜２ｃが圧縮される前の状態を示す。 本発明によるロータ構造の製造工程の１実施例を示す断面図であり、弾性部材２ａ〜２ｃが圧縮された後の状態を示す。 本発明によるロータ構造の製造工程の１実施例を示す断面図であり、樹脂４が注入された状態を示す。 本発明によるロータ構造の製造工程の他の実施例を示す断面図であり、未発泡の発泡樹脂２１ａ〜２１ｃが配置された状態を示す。 本発明によるロータ構造の製造工程の他の実施例を示す断面図であり、金型５が配置された状態を示す。 本発明によるロータ構造の製造工程の他の実施例を示す断面図であり、発泡後の発泡樹脂２２ａ〜２２ｃの状態を示す。 本発明によるロータ構造の製造工程の他の実施例を示す断面図であり、樹脂４が注入された状態を示す。 本発明によるロータ構造を用いた同期電動機の内部構成を示す分解斜視図である。 本発明によるロータ構造を用いた同期電動機の斜視図である。

図１を用いて、本発明の１つの実施例による回転電動機のロータ構造の構成を説明する。

ロータ７は、ロータ７の回転軸方向に複数個並べられた磁石１ａ〜１ｄと、磁石１ａ〜１ｄの間に挟まれる形で配置された複数の弾性部材２ａ〜２ｃとを備え、磁石１ａ〜１ｄ、弾性部材２ａ〜２ｃとコア３の間には、樹脂４が充てんされた構成となっている。

ここで、磁石１ａの端部には樹脂４がかぶっておらず、磁石１ａの端部は樹脂４から露出している。また、磁石１ａ〜１ｄは樹脂４によってコア３に固定されており、磁石の固定にエンドリングが用いられていない。この構成により、ロータ７を製造した後に磁石１ａ〜１ｄが正しく挿入されているか、目視確認によって簡便に検査することが可能である。

また、弾性部材２ａ〜２ｃには、ロータ７の回転軸方向に沿った圧縮荷重が付与されており、圧縮変形が発生している。複数個の弾性部材２ａ〜２ｃに発生する圧縮荷重はほぼ均等であり、弾性部材２ａ〜２ｃの圧縮変形量もほぼ均等となるため、磁石１ａ〜１ｄ同士のロータ７の回転軸方向の間隔はほぼ均等となる。このため、完成したロータ７はバランスがよく、ロータ７のバランス調整が簡略化、あるいは省略できる。

磁石１ａ〜１ｄとコア３の寸法誤差を弾性部材２ａ〜２ｃの弾性変形で吸収できるよう、弾性部材２ａ〜２ｃには、ヤング率が小さい材料を採用することが望ましい。発泡樹脂やゴム材料は一般的にヤング率が５ＭＰａを下回っているため好適である。また、金属ばねを用いることも可能である。

回転電動機の使用時に発生する熱や、回転電動機の設置環境の温度変化により、ロータ７には温度変動が発生する。このとき、ロータを構成する各部材の線膨脹係数の違いによりロータ７に熱応力が発生する。

一般的に磁石１ａ〜１ｄの線膨脹係数はコア３の線膨脹係数に比べて小さいため、両者の線膨脹係数差が原因となって、樹脂４にはせん断応力が発生する。このせん断応力が過大となると、樹脂４とコア３間のはく離や樹脂４と磁石１ａ〜１ｄ間のはく離、あるいは樹脂４のクラックが発生する恐れがある。したがって、磁石１ａ〜１ｄとコア３の線膨脹係数差を吸収するため、弾性部材２ａ〜２ｃの線膨脹係数は大きいことが望ましい。例えばゴム材料のように、線膨脹係数が１００×１０^−６／℃を上回るような材料を採用することで、磁石１ａ〜１ｄとコア３の線膨脹係数差を相殺することが可能である。

磁石１ａ〜１ｄには、ネオジム磁石などの強力な永久磁石を用いることが一般的である。また、コア３は、電磁鋼板をロータの回転軸方向に積層して作成することが一般的である。また、樹脂４には、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂をトランスファーモールドにより充填硬化させて用いることが一般的であるが、熱可塑性樹脂を射出成形することも可能である。

図２は、本発明における弾性部材２ａ〜２ｃを用いずに作成されたロータの例である。磁石１ａ〜１ｄの間に弾性部材が介在しないため、磁石同士は直接接触したり、あるいは、大きな距離が開いたりして、磁石１ａ〜１ｄ間の距離が不均一になる。このため、ロータのバランスが悪くなる。また、磁石１ａ〜１ｄのロータ回転軸方向の長さの合計がコア３のロータ回転軸方向の長さを下回るため、磁石の端面に樹脂４が回りこみ、少なくとも片方の端面では磁石が露出しない構成となる。このため、樹脂モールド後に磁石１ａ〜１ｄが正しく挿入されているかを外観確認することが困難となる。

図２においても、磁石１ａ〜１ｄのロータ回転軸方向の長さの合計とコア３のロータ回転軸方向の長さとが完全に等しければ、磁石１ａ〜１ｄの端面に樹脂４をかぶらせることなく、磁石１ａ〜１ｄの端部を露出させることが理論的には可能である。

しかし、実際には磁石１ａ〜１ｄおよびコア３の寸法には製造時の誤差を含むため、磁石１ａ〜１ｄの長さの合計がコア３の長さよりもわずかでも短ければ、磁石１ａ〜１ｄの端部に樹脂４が回り込むため、磁石１ａの端部は樹脂から露出しない。また、磁石１ａ〜１ｄの長さの合計がコア３の長さよりわずかでも長ければ、樹脂モールド時に金型でコア３の開口部を完全にふさぐことができないため隙間から樹脂漏れを生じ、ロータの製造が困難となる。

図３は、本発明の他の実施例によるロータ構造を示す断面図である。ここでは、コア３の磁石挿入部は貫通しておらず、片側が閉じた状態になっている。このような構成においては、磁石１ｄの片側の端面はコア３に押し付けられているため外部に露出しないが、磁石１ａの端面はコア３の開口部を通じて外部に露出している。このため、磁石１ａ〜１ｄが正しく挿入されているかを樹脂モールド後に外観で容易に検査することが可能である。

図３においても図１と同様に、弾性部材２ａ〜２ｃにはロータ回転軸方向の圧縮変形が発生しており、複数の弾性部材２ａ〜２ｃにはほぼ均等に圧縮変形が発生するため、複数の磁石間の距離はほぼ均一になる。このため、完成したロータはバランスが良いものとなる。

図４を用いて、本発明を用いたロータ構造の製造方法について説明する。図４（Ａ）において、まずコア３の開口部から、複数個の磁石を挿入する。このとき、磁石１ａ〜１ｄの間には弾性部材２ａ〜２ｃが挿入されている。磁石１ａ〜１ｄおよび弾性部材２ａ〜２ｃの挿入方法は、磁石１ａ〜１ｄ、弾性部材２ａ〜２ｃを単体で交互にコアに挿入する方法でもよいし、製造性をさらに高めるために、あらかじめ間に弾性部材を挟んだ磁石を作成し、一体としてコア３に挿入する方法でもよい。一体となった磁石１ａ〜１ｄおよび弾性部材２ａ〜２ｃを一体としてコア３に挿入する方法においては、生産性を高めるために磁石１ａ〜１ｄと弾性部材２ａ〜２ｃの間は何らかの方法で接着されていることが望ましい。両者の接着の方法には、別途接着剤を使用する方法と、弾性部材２ａ〜２ｃそのものに磁石１ａ〜１ｄとの接着性の高いものを採用する方法が考えられる。

図４（Ａ）において、磁石１ａ〜１ｄと弾性部材２ａ〜２ｃのロータ回転軸方向の長さの合計は、コア３のロータ回転軸方向の長さと同じか、あるいは上回っている。このため、磁石挿入時には磁石１ａ〜１ｄの端面はコア３の端面と同一か、あるいは外部に飛び出した形状となる。

次に、図４（Ｂ）に示すように、磁石１ａ〜１ｄ、弾性部材２ａ〜２ｃ、およびコア３は、金型５の中に挿入される。ここで、金型５はコア３の開口部をふさぐ形で配置され、ロータ回転軸方向に圧縮荷重が付与される。この圧縮荷重により弾性部材２ａ〜２ｃには圧縮変形が生じ、その結果、磁石１ａ〜１ｄと弾性部材２ａ〜２ｃのロータ回転軸方向の長さの合計が、コア３のロータ回転軸方向の長さとほぼ等しくなる。したがって、磁石１ａ〜１ｄの端部とコア３の端部はいずれも金型５の面に接触し、磁石１ａ〜１ｄの端面とコア３の端面はほぼ同一平面を構成する。

次に図４（Ｃ）に示すように、金型５の樹脂通路６を通じて、加熱軟化した樹脂４をコア３と磁石１ａ〜１ｄの隙間に注入する。樹脂４を加圧して隙間に完全に注入することにより、樹脂４の端部は金型５の面に接することなり、結果として磁石１ａ〜１ｄの端面、コア３の端面、樹脂４の端面はほぼ同一平面を構成することになる。最後に金型５を取り除いて、図１に示すようなロータ構造が完成する。

図５は、本発明の他の実施例によるロータ構造の製造方法を表す断面図である。まず図５（Ａ）に示すように、コア３の開口部から、磁石１ａ〜１ｄおよび未発泡の発泡樹脂２１ａ〜２１ｃを挿入する。ここで、磁石１ａ〜１ｄのロータ回転軸方向の長さと未発泡の発泡樹脂２１ａ〜２１ｃのロータ回転軸方向の長さの合計は、コア３のロータ回転軸方向の長さと同じか、あるいは下回っている。このため、磁石１ａと１ｄの端面は、コア３の端面と同一か、あるいは内側にへこんでいる。

次に、図５（Ｂ）に示すように、コア３の開口部に金型５を押し付ける。ここで、磁石１ａと１ｄの端面はコアの端面と同一か、あるいはへこんでいるため、金型５はコア３のみに押し付けられ、磁石１ａや１ｄと金型５は軽く接触するか、あるいは離れた状態になる。

次に、図５（Ｃ）に示すように、未発泡の発泡樹脂２１ａ〜２１ｃを発泡させ、発泡後の発泡樹脂２２ａ〜２２ｃに変化させる。発泡樹脂は発泡の際に膨張するため、磁石１ａ〜１ｄと磁石の間隔を押し広げ、磁石１ａ〜１ｄの端部を金型５に押し当てる。この結果、磁石１ａ〜１ｄの端面はコア３の端面とほぼ同一平面上に移動する。

次に、図５（Ｄ）に示すように、磁石１ａ〜１ｄとコア３との隙間に樹脂４を注入して硬化させる。図４（Ｃ）と同様に、磁石１ａ〜１ｄとコア３、樹脂４の端面はほぼ同一平面を構成し、磁石１ａ〜１ｄの端面は樹脂４から露出している。最後に金型を取り外すことにより、図１に示す構成のロータ構造を製造することができる。

図6に、本発明の実施例によるロータを用いた同期電動機の分解斜視図を示す。同期電動機８はロータ７およびロータシャフト３４の周囲にステータ３３およびステータを固定するケース３１およびブラケット３５からなり、ケース３１にはステータに電流を送って同期電動機の回転を制御するための端子３２が取り付けられている。ここではロータ７の内部の樹脂４は省略している。端子３２から送られた電流によりステータ３３が磁力を発生し、この磁力とロータ内の磁石１ａ〜１ｄが発生する磁力が干渉することにより、ロータ７およびロータシャフト３４が回転する。

なお、図6では一例として、分布巻（角線波巻）ステータの図を記載しているが、本発明はロータの発明であるため、ステータ形状に依存しない。即ち、ステータが、集中巻、丸線分布巻、角線（連続含む）重巻、角線連続波巻等、であったとしても、本発明は全て適用可能である。また、図では内転型であるが、外転型やリニアモータ、アキシャルギャップモータにおいても適用可能である。

また、図では内転型であるが、外転型やリニアモータ、アキシャルギャップモータにおいても適用可能である。

図7に、本発明の実施例によるロータを用いた同期電動機の斜視図を示す。ロータ７は同期電動機のケース３１およびブラケット３５に隠れているため見ることができず、ロータの回転に伴って回転するロータシャフト３４のみ外部から確認できる。

本実施形態の回転電動機のロータ構造を用いることにより、樹脂モールド後に磁石が正しく挿入されているかを確認することが、外観検査により容易となるため、ロータの製造性を高めることができる。また、磁石と磁石の間隔をほぼ均等にすることができ、ロータのバランスを向上させることが可能であるため、ロータのバランス調整工程を簡略化、あるいは省略できる。また、適切なヤング率や線膨脹係数をもった弾性材料を用いることにより、回転電動機使用時の温度変化によって樹脂に発生する熱応力を低減することができるため、製品の信頼性を向上させることができる。

１ａ〜１ｄ…磁石、２ａ〜２ｃ…弾性部材、３…コア、４…樹脂、５…金型、６…樹脂通路、７…ロータ、２１ａ〜２１ｃ…未発泡の発泡樹脂、２２ａ〜２２ｃ…発泡後の発泡樹脂、８…同期電動機、３１…ケース、３２…端子、３３…ステータ、３４…ロータシャフト、３５…ブラケット

Claims (9)

1. 複数の磁石と、
   前記複数の磁石の間に配置される弾性部材と、
   前記複数の磁石及び前記弾性部材の収納空間を形成するコアと、
   前記収納空間に充填させるモールド材と、を備え、
   前記収納空間は、前記コアの少なくとも片方の端面に繋がっており、
   前記弾性部材は、前記複数の磁石の配列方向に沿って圧縮され、
   前記複数の磁石のうち少なくとも一つの第１磁石の一部は、前記コアの前記片方の端面側において前記モールド材から露出する回転電機のロータ。
2. 請求項１に記載の回転電機のロータであって、
   前記コアは、前記片方の端面とは反対側に、前記収納空間と繋がる他方の端面を形成し、
   前記複数の磁石のうち少なくとも一つの第２磁石の一部は、前記コアの前記他方の端面側において前記モールド材から露出する回転電機のロータ。
3. 請求項１または２に記載の回転電機のロータであって、
   前記コアの端面と前記磁石の露出面と前記モールド材の端面が、略同一平面をなす回転電機の
   ロータ。
4. 請求項１ないし３に記載のいずれかの回転電機のロータであって、
   前記弾性部材は、前記複数の磁石のうち隣り合う磁石の対向する面の全域を覆うように
   配置される回転電機のロータ。
5. 請求項１ないし４に記載のいずれかの回転電機のロータであって、
   前記弾性部材が、発泡樹脂である回転電機のロータ。
6. ロータの収納空間に磁石と弾性部材を交互に挿入する第１の工程と、
   前記ロータの収納空間の端面に樹脂モールド金型を、当該樹脂モールド金型と前記磁石
   を接触した状態で押し当てる第２の工程と、
   前記ロータの収納空間内に発生する空隙部分に樹脂を注入する第３の工程と、
   前記樹脂を硬化させる第４の工程と、からなる回転電機のロータの製造方法。
7. 請求項６に記載の回転電機のロータの製造方法であって、
   前記第１の工程が、あらかじめ磁石と磁石の間に弾性部材を挿入する工程と、前記磁石
   と前記弾性部材を複合した構造を前記ロータの収納空間に挿入する工程と、を含むに回転
   電機のロータの製造方法。
8. 請求項６または７に記載の回転電機のロータの製造方法であって、
   前記弾性部材は、発泡樹脂であり、
   前記第２の工程は、前記発泡樹脂を発泡により膨脹させ、それによって前記磁石の端面
   を前記樹脂モールド金型に押し当てることを含む回転電機のロータの製造方法。
9. 請求項６ないし８記載のいずれかの回転電機のロータの製造方法であって、
   前記第１の工程において、前記磁石と前記弾性部材の、前記ロータの収納空間への挿入
   方向の長さの合計が、前記ロータの収納空間の挿入方向の長さを上回っており、
   前記第２の工程において、前記弾性部材を圧縮変形させることにより、前記磁石の端部と前記ロータの端部の両方が前記樹脂モールド金型に接触する回転電機のロータの製造方法。

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