JP7160073B2

JP7160073B2 - ロータ及びその製造方法

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Publication number: JP7160073B2
Application number: JP2020138070A
Authority: JP
Inventors: 歩武谷下田; 宏金原
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2020-08-18
Filing date: 2020-08-18
Publication date: 2022-10-25
Anticipated expiration: 2040-08-18
Also published as: JP2022034329A; CN114079336A; US20220060068A1; US11799335B2; DE102021120642A1; CN114079336B

Description

本発明は、モータに搭載されるロータ及びその製造方法に関する。

軸状に形成されたロータコアと、ロータコアに固定された永久磁石と、ロータコアと永久磁石との間に介在し、永久磁石を接続する接続部材と、を備え、接続部材は、熱伝導性のフィラーを含むロータが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００６－００２１４４号公報

上記ロータにおいて、接続部材は、永久磁石に発生した熱をロータコアに効率的に伝達するために熱伝導性のフィラーを含む。しかし、フィラーとロータコアとの間、あるいは、フィラーと永久磁石との間に接続部材が介在している。したがって、永久磁石に発生した熱は、フィラーを介して直接的にロータコアに放熱されるのではなく、フィラー及び接続部材を介してロータコアに放熱される。これにより、放熱性が低下し、永久磁石の冷却性能が低下する虞がある。

本発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、永久磁石の冷却性能を向上することができるロータ及びその製造方法を提供することを主たる目的とする。

上記目的を達成するための本発明の一態様は、
軸状に形成されたロータコアと、
前記ロータコアに固定された永久磁石と、
前記ロータコアと永久磁石との間に介在し、前記永久磁石を接続する接続部材と、を備え、
前記接続部材は、非磁性材料からなる熱伝導性のフィラーを含み、
前記フィラーの端部のみが磁性を有しており、該端部はロータコア及び永久磁石のうちの少なくとも一方と接触している、
ロータ。
この一態様において、前記フィラーは、前記永久磁石の放熱方向に配向されていてもよい。
この一態様において、前記フィラーの一端が前記ロータコアに接触し、前記フィラーの他端が前記永久磁石に接触していてもよい。
この一態様において、前記フィラーの長手方向の長さは、前記ロータコアと前記永久磁石との間の距離以上であってもよい。
上記目的を達成するための本発明の一態様は、
軸状に形成されたロータコアと、
前記ロータコアに固定された永久磁石と、
前記ロータコアと永久磁石との間に介在し、前記永久磁石を接続する接続部材と、を備えるロータの製造方法であって、
非磁性材料からなる熱伝導性のフィラーの端部を磁化するステップと、
前記端部を磁化したフィラーを前記接続部材に混合するステップと、
前記フィラーが混合された接続部材を介して、前記ロータコアと永久磁石とを接続し、前記フィラーの端部を前記ロータコア及び永久磁石のうちの少なくとも一方に接触させるステップと、
を含む、ロータの製造方法
であってもよい。
この一態様において、前記フィラーを切断又は屈曲させることで、該フィラーの端部を磁化してもよい。

本発明によれば、永久磁石の冷却性能を向上することができるロータ及びその製造方法を提供することができる。

本実施形態１に係るロータの概略的な構成を示す断面図である。非磁性材料からなるフィラーの端部のみを磁化する方法を示す図である。本実施形態１に係るロータの製造方法のフローを示すフローチャートである。図１のＡ部分の拡大図である。図１のＢ部分の拡大図である。フィラーの配向の一例を示す図である。本実施形態４に係るロータの製造方法の一例を示す図である。

実施形態１
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。図１は、本実施形態１に係るロータの概略的な構成を示す断面図である。本実施形態１に係るロータ１は、例えば、電気自動車、ハイブリッド自動車などを駆動するモータ内に搭載される。ロータ１は中心軸Ｃを中心に回転する。ロータ１は、略軸状に形成されたロータコア２と、ロータコア２に固定された永久磁石３と、ロータコア２と永久磁石３との間に介在し、永久磁石３を接続する接続部材４と、を備えている。

ロータコア２は、軸状のシャフト２１と、シャフト２１に連結された円柱状の積層鉄心２２と、積層鉄心２２を固定する一対のエンドプレート２３と、を有している。

積層鉄心２２は、複数の円環状かつ板状の積層鋼板２２１を軸方向に積層して構成される。なお、ロータ１の中心軸Ｃに沿って延びる方向を軸方向とし、中心軸Ｃと直交する方向を半径方向とする。積層鋼板２２１は、磁性を有する電磁鋼板などである。積層鉄心２２の両端面は、一対のエンドプレート２３で挟み込まれている。エンドプレート２３は、円環状の金属板から形成されており、その外周円の直径は積層鉄心２２と略等しく設定されている。

エンドプレート２３で挟み込まれた積層鉄心２２の中心に形成された軸方向の貫通孔にシャフト２１が挿入される。シャフト２１の一端に形成されたネジ山にワッシャー２４を介してナット２５が螺合することで、積層鉄心２２及びエンドプレート２３はシャフト２１に一体的に連結される。シャフト２１には、例えば、シャフト２１の回転を検出するレゾルバ２６がナットなどにより連結されている。

本実施形態１に係るロータコア２は、永久磁石３を積層鉄心２２内に組み込む埋込磁石形(ＩＰＭ:Interior permanent Magnet)として構成されている。円柱状の積層鉄心２２には、外周近傍の内部において軸方向に貫通する複数のスロット２７が周方向に所定間隔で設けられている。

永久磁石３の外側は樹脂４によってモールドされている。複数のスロット２７のそれぞれに、樹脂４でモールドされた永久磁石３が固定されている。このようにして、各スロット２７内には、樹脂４を介して永久磁石３が固定されている。一対のエンドプレート２３は、積層鉄心２２のスロット２７内に樹脂４でモールドされた永久磁石３に対して、軸方向の移動を規制する役割を担っている。

樹脂４は、ロータコア２の積層鉄心２２に永久磁石３を接続する接続部材の一具体例である。樹脂４は、エポキシ、フェノール、ポリイミド等で構成されていてもよいが、これに限定されず、樹脂４は、シリコーン、スチレン、ポリエチレン、フェノール等で構成されていてもよい。

図１に示す如く、スロット２７の内壁面と永久磁石３の外面との間には樹脂４が介在している。永久磁石３の軸方向端面とエンドプレート２３との間には樹脂４が介在している。一方、例えば、モータに大電流を流し高速回転させると永久磁石３に大きな誘導電流が流れ、永久磁石３は発熱し、その熱により永久磁石３が減磁する虞がある。

この永久磁石３の減磁を効果的に抑制するため、本実施形態１に係る樹脂４は、熱伝導性のフィラー４１を含む。これにより、永久磁石３の熱は、主として、樹脂４内の熱伝導性のフィラー４１を介して、エンドプレート２３及び積層鉄心２２に対して放熱され、永久磁石３は冷却される。

本実施形態１に係るフィラー４１は、非磁性材料からなる。さらに、フィラー４１の端部４１１のみが磁性を有しており、その端部４１１はロータコア２又は永久磁石３と接触している。フィラー４１の端部４１１のみが磁性を有することで、例えば、電磁石などを用いてフィラー４１の配向を容易に調整することができ、その端部４１１をロータコア２又は永久磁石３に接触させることができる。

フィラー４１の端部４１１をロータコア２又は永久磁石３に接触させることで、その間の熱伝導性を大きく向上させることができ、フィラー４１の放熱性を向上させ、永久磁石３の冷却性能を向上させることができる。

なお、フィラー４１の端部４１１は永久磁石３に接触しているのがより好ましい。これにより、永久磁石３で発生した熱をより速くフィラー４１側に伝導することができ、永久磁石３の冷却性能を向上させることができる。

フィラー４１は非磁性材料からなり、その端部４１１のみが磁性を有している。このため、フィラー４１が永久磁石３やロータコア２の積層鉄心２２の積層鋼板２２１と接触しても渦磁束密度を低下させる等の渦磁束の挙動に影響がなく、モータの出力低下を効果的に抑制できる。

フィラー４１は、非磁性材料である、１８クロム－８ニッケルのＳＵＳ３０４などのオーステナイト系ステンレスで構成されていてもよい。フィラー４１は、所定長さの線状部材である。より具体的には、フィラー４１の直径は２０μｍ程度であり、フィラー４１の長手方向の長さは０．２ｍｍ程度であり、磁性を有するフィラー４１の端部４１１の長さは０．２μｍ程度である。

図２は、非磁性材料からなるフィラーの端部のみを磁化する方法を示す図である。例えば、ボビンなどに巻かれた線状のフィラー４１を所定長さ分だけ引き出す。次に、図２に示す如く、引き出されたフィラー４１の根元側をパッド及びダイスで挟み込んで固定し、先端側をパンチで押すことで、フィラー４１を切断し、これを繰り返す。

この切断時にフィラー４１の切断部である端部４１１に応力が加わり、応力が加わったその端部４１１のみが非磁性のオーステナイトから磁性のマルテンサイト（加工誘起マルテンサイト）に変態する。このようにして、フィラー４１の切断加工と同時にフィラー４１の端部４１１のみを磁化することができるため、フィラー４１の加工コストを低減できる。

なお、本実施形態１において、上述の如く、加工誘起を利用してフィラー４１の端部４１１のみを磁化するため、フィラー４１は、オーステナイト系のＳＵＳ３０４で構成されているが、これに限定されない。フィラー４１は、非磁性材料からなり、その端部４１１のみが磁性を有していれば、任意の材料により構成されてもよい。例えば、フィラー４１は、非磁性のＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ｈ－ＢＮ、ｃ－ＢＮ、ＡｌＮ、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＢｅＯ等で構成されてもよい。この場合、これらフィラー４１の端部４１１のみに鉄やフェライトなどの磁性粉を付着させることで、端部４１１のみを磁化させてもよい。

本実施形態１において、フィラー４１は線状に形成されているが、これに限定されない。フィラー４１は、磁化した端部４１１を利用して配向を調整できれば、例えば、楕円状、帯状、螺旋状、リング状などであってもよい。

本実施形態１において、フィラー４１の切断時の応力を利用してフィラー４１の端部４１１を磁化しているが、これに限定されない。例えば、フィラー４１を曲げ加工したときの塑性変形を利用してフィラー４１の曲げ部を磁化し、その曲げ部を磁化された端部４１１としてもよい。この場合、フィラー４１は、例えば、Ｕ状、Ｌ状、Ｓ状、コの字状、くの字状などに形成されていてもよい。

続いて、本実施形態１に係るロータ１の製造方法について詳細に説明する。図３は、本実施形態１に係るロータの製造方法のフローを示すフローチャートである。

まず、線状のフィラー４１を所定長さで切断することで、フィラー４１の端部４１１を磁化させる（ステップＳ１０１）。磁化したフィラー４１を樹脂４に混錬し混錬物とする（ステップＳ１０２）。

永久磁石３を積層鉄心２２のスロット２７内に挿入する（ステップＳ１０３）。積層鉄心２２の両端面にエンドプレート２３を溶接などで固定する（ステップＳ１０４）。積層鉄心２２のスロット２７内の永久磁石３の周囲に対し、フィラー４１を含む樹脂４を射出成形する（ステップＳ１０５）。

射出成形した樹脂４に対して、積層鉄心２２の外側から電磁石を近付ける（ステップＳ１０６）。これにより、フィラー４１の配向が放熱方向（半径方向）に揃い、フィラー４１の端部４１１は、電磁石に引き寄せられ、積層鉄心２２の積層鋼板２２１に接触する。

同様に、射出成形した樹脂４に対して、エンドプレート２３の外側から電磁石を近付ける（ステップＳ１０７）。これにより、フィラー４１の配向は放熱方向（軸方向）に揃い、フィラー４１の端部４１１は、電磁石に引き寄せられ、エンドプレート２３に接触する。

樹脂４を熱硬化させる（ステップＳ１０８）。永久磁石３を磁化させる（ステップＳ１０９）。積層鉄心２２にエンドプレート２３、シャフト２１を取り付け、ナットで締付ける（ステップＳ１１０）。

なお、本実施形態１に係る製造方法において、フィラー４１を含む樹脂４を永久磁石３の周囲に成形し、成形した樹脂４内のフィラー４１を電磁石などで配向してもよい。その後、樹脂４及び永久磁石３を積層鉄心２２のスロット２７に嵌挿してもよい。

また、永久磁石３を積層鉄心２２のスロット２７内に挿入する前などにおいて、永久磁石３を予め磁化させていてもよい。この場合、射出成形した樹脂４に対して電磁石を近付けることで、フィラー４１の配向を放熱方向に揃えつつ、フィラー４１の端部４１１は、スロット２７内の永久磁石３の磁力により永久磁石３側に引き寄せられ、永久磁石３に接触する。

さらに、積層鉄心２２のスロット２７内の永久磁石３の周囲に対し、フィラー４１を含む樹脂４を射出成形し（ステップＳ１０５）、その後、永久磁石３を磁化してもよい。フィラー４１の端部４１１は、永久磁石３の磁力により永久磁石３側に引き寄せられ、永久磁石３に接触する。そして、樹脂４を熱硬化させる。本工程により、上述の電磁石を近づける工程（Ｓ１０６、Ｓ１０７）を減らす効果が得られる。

以上、本実施形態１において、樹脂４は、非磁性材料からなる熱伝導性のフィラー４１を含み、フィラー４１の端部４１１のみが磁性を有している。これにより、電磁石などを用いてフィラー４１の配向を容易に調整することができ、端部４１１をロータコア２又は永久磁石３に接触させることができる。フィラー４１の端部４１１をロータコア２又は永久磁石３に接触させることで、その間の熱伝導性を向上させることができ、フィラー４１の放熱性を向上させ、永久磁石３の冷却性能を向上させることができる。

実施形態２
本実施形態２において、フィラー４１の一端がロータコア２に接触し、かつ、フィラー４１の他端が永久磁石３に接触している。図４は、図１のＡ部分の拡大図である。図４に示す如く、フィラー４１の一端を永久磁石３に接触させ、他端をロータコア２のエンドプレート２３に接触させる。図５は、図１のＢ部分の拡大図である。図５に示す如く、フィラー４１の一端を永久磁石３に接触させ、他端をロータコア２の積層鉄心２２の各積層鋼板２２１に接触させる。

フィラー４１の一端がロータコア２に接触し、かつ、フィラー４１の他端が永久磁石３に接触することで、その間の熱伝導性をより向上させることができ、フィラー４１の放熱性をより向上させ、永久磁石３の冷却性能をより向上させることができる。

例えば、エンドプレート２３及び積層鉄心２２（鉄）の熱伝導率は８０．４[Ｗ／ｍｋ]であり、フィラー４１（ＳＵＳ）の熱伝導率は１８～２０[Ｗ／ｍｋ]である。一方で、樹脂４（エポキシ）の熱伝導率は０．３[Ｗ／ｍｋ]である。このように、樹脂４の熱伝導率は、エンドプレート２３、積層鉄心２２、及びフィラー４１の熱伝導率と比較して、著しく低い。

したがって、フィラー４１の両端を、それぞれ、永久磁石３およびエンドプレート２３、永久磁石３および各積層鋼板２２１に接触させ、その間に樹脂４を介在させないことで、永久磁石３に発生した熱の熱伝導率をより大きく向上させ、その放熱効率をより大きく向上させることができる。

実施形態３
本実施形態３において、フィラー４１の長手方向の所定長さは、永久磁石３と積層鋼板２２１との間の距離及び永久磁石３とエンドプレート２３との間の距離よりも長い。永久磁石３と積層鋼板２２１との間の距離及び永久磁石３とエンドプレート２３との間の距離は、樹脂４の厚さに等しい。

これにより、図４及び図５に示す如く、フィラー４１の両端を、それぞれ、永久磁石３およびエンドプレート２３、永久磁石３および各積層鋼板２２１に確実に接触させることができる。

また、樹脂４内の各フィラー４１は、永久磁石３の放熱方向に配向されているのが好ましい。熱伝導は、フィラー４１の配向されている方向に大きくなる。このため、図５に示すように、樹脂４内のフィラー４１は、長手方向が半径方向に配向されている。樹脂４内の各フィラー４１は、永久磁石３で発生した熱を半径方向外側の積層鉄心２２に伝達し、積層鉄心２２の外周面から外部に伝達する。これにより、永久磁石３の熱を半径方向外側に効率的に伝達することができる。

同様に、図４に示すように、樹脂４内のフィラー４１は長手方向が軸方向に配向されている。樹脂４内の各フィラー４１は、永久磁石３で発生した熱を軸方向外側のエンドプレート２３に伝達し、エンドプレート２３の表面から外部に伝達する。これにより、永久磁石３の熱を軸方向外側に効率的に伝達することができる。

図６は、フィラーの配向の一例を示す図である。図６に示す如く、フィラー４１は、永久磁石３の表面に対して垂直に配向されている。これにより、永久磁石３で発生した熱を最短距離で積層鉄心２２の積層鋼板２２１あるいはエンドプレート２３に伝導でき、放熱効率を向上させることができる。なお、フィラー４１の端部４１１が永久磁石３及び積層鋼板２２１のうちの少なくとも一方に接触していれば、フィラー４１の一部あるいは全部が永久磁石３の表面に対して斜めに配向されていてもよい。

実施形態４
図７は、本実施形態４に係るロータの製造方法の一例を示す図である。本実施形態４に係るロータコアは、永久磁石３０を積層鉄心５０表面に組み込む表面磁石形(ＳＰＭ:Surface Permanent Magnet)として構成されている。

図７に示す如く、まず、永久磁石３０を金型に設置する（ａ）。金型内にフィラー４０１を含む樹脂４０を射出することで、永久磁石３０の周囲に対し樹脂４０を成形する（ｂ）。このとき、フィラー４０１はランダムな方向を向いている。

射出成形した樹脂４０に対して、金型の外側から電磁石を近付ける。これにより、フィラー４０１の配向が放熱方向に揃い、フィラー４０１の一端部は、電磁石に引き寄せられ、永久磁石３０に接触する（ｃ）。

樹脂４０が成形された永久磁石３０から、金型を取り外す（ｄ）。樹脂４０が成形された永久磁石３０を、積層鉄心５０のスロット５０１に軸方向から挿入する（ｅ）。これにより、樹脂４０内のフィラー４０１の他端部は、積層鉄心５０に接触する（ｆ）。

実施形態５
本実施形態５において、フィラー４１は樹脂の一部に含まれている。例えば、フィラー４１は、永久磁石３と積層鉄心２２との間の樹脂４にのみ含まれていてもよい。ロータコア２が高速で回転すると、永久磁石３と積層鉄心２２との間の樹脂４に対して大きな遠心力が加わる。このため、永久磁石３と積層鉄心２２との間の樹脂４にのみフィラー４１を含ませ、強度を大きくしてもよい。これにより、永久磁石３の冷却性能を向上させつつ、樹脂４の強度を向上させることができる。

さらに、樹脂４の強度を大きくするために樹脂４内のフィラー４１の充填量を大きくしてもよい。また、フィラー４１の充填量を大きくすることにより、樹脂４の強度を向上させつつ、熱伝導率も大きくして冷却性能をより向上させることができる。また、フィラー４１の直径を大きくしても樹脂４の強度、及び熱伝導率を共に大きくすることができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他のさまざまな形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１ロータ、２ロータコア、３永久磁石、４樹脂、２１シャフト、２２積層鉄心、２３エンドプレート、２４ワッシャー、２５ナット、２６レゾルバ、２７スロット、３０永久磁石、４０樹脂、４１フィラー、５０積層鉄心、２２１積層鋼板、４０１フィラー、４１１端部、５０１スロット

Claims

軸状に形成されたロータコアと、
前記ロータコアに固定された永久磁石と、
前記ロータコアと永久磁石との間に介在し、前記永久磁石を接続する接続部材と、を備え、
前記接続部材は、非磁性材料からなる熱伝導性のフィラーを含み、
前記フィラーの端部のみが磁性を有しており、
前記フィラーの長手方向の長さは、前記ロータコアと前記永久磁石との間の距離以上であり、
前記フィラーの一端が前記ロータコアに接触し、前記フィラーの他端が前記永久磁石に接触している、
ロータ。
請求項１記載のロータであって、
前記フィラーは、前記永久磁石の放熱方向に配向されている、ロータ。
軸状に形成されたロータコアと、
前記ロータコアに固定された永久磁石と、
前記ロータコアと永久磁石との間に介在し、前記永久磁石を接続する接続部材と、を備えるロータの製造方法であって、
非磁性材料からなる熱伝導性のフィラーの端部を磁化するステップと、
前記端部を磁化したフィラーを前記接続部材に混合するステップと、
前記フィラーが混合された接続部材を介して、前記ロータコアと永久磁石とを接続し、前記フィラーの一端を前記ロータコアに接触させ、前記フィラーの他端を前記永久磁石に接触させるステップと、
を含み、
前記フィラーの長手方向の長さは、前記ロータコアと前記永久磁石との間の距離以上である、
ロータの製造方法。
請求項３記載のロータの製造方法であって、
前記フィラーを切断又は屈曲させることで、該フィラーの端部を磁化する、
ロータの製造方法。