JP7256460B2 - ロータ及びロータの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ロータ及びロータの製造方法に関する。

従来、ロータコアの外周側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、遠心力により永久磁石がロータコアから脱落することを防ぐために、永久磁石の外周側を覆うとともに円筒状に延びる巻付部材が設けられている。

こうした巻付部材は、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側に巻き付けて積層する。そして、熱硬化性樹脂を熱硬化させることにより巻付部材を形成する。

特開２０１７－１９５６９５号公報

ところで、永久磁石の外周側に巻き付けて積層された繊維束のうち内周側の部分には、当該部分の外周側に巻き付けられた部分によって内周側に向かう巻締力が作用する。こうした巻締力は、繊維束のうち内周側に位置する部分ほど増大する。このため、繊維束のうち内周側に位置する部分には上記巻締力によって皺が発生することで当該部分の張力が低下するおそれがある。

なお、こうした課題は、ＳＰＭモータに限定されるものではなく、永久磁石が埋設されたロータコアと、同ロータコアの外周側を覆う巻付部材とを備えるＩＰＭ（Interior Permanent Magnet）モータにおいても同様にして生じる。

本発明の目的は、巻付部材における皺の発生を抑制できるロータ及び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は、ロータ本体と、前記ロータ本体の外周側に巻き付けられて積層される巻付部材と、を備えるものであり、前記巻付部材の積層方向における前記巻付部材同士の間には、スペーサが設けられている。

同構成によれば、巻付部材のうちスペーサの外周側に位置する部分による巻締力がスペーサに作用するため、巻付部材のうちスペーサの内周側に位置する部分に上記巻締力が作用しにくくなる。これにより、巻付部材のうち内周側に位置する部分ほど巻締力が増大することを抑制できる。したがって、巻付部材における皺の発生を抑制することができる。

また、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側に巻き付けられて積層される巻付部材と、を備えるロータの製造方法であって、前記ロータ本体の外周側に前記巻付部材を巻き付けて積層する工程を備え、前記工程においては、巻き付けられた状態の前記巻付部材の外周面にスペーサを配置するとともに、当該スペーサの外周面に前記巻付部材を巻き付ける。

同方法によれば、上記ロータの作用効果に準じた作用効果を奏することができる。

ロータ及びロータの製造方法の第１実施形態について、ロータの構成を示す斜視図。 図１の２－２線に沿った断面図。 同実施形態のロータの一部を拡大して示す拡大断面図。 同実施形態の繊維束群の外周面にスペーサが配置された状態を示す平面図。 図４に対応する図であって、スペーサの外周面に繊維束が巻き付けられている途中の状態を示す平面図。 ロータ及びロータの製造方法の第２実施形態について、ロータの構成を示す断面図。 図６の７－７線に沿った断面図。 変更例のロータの一部を拡大して示す拡大断面図。

＜第１実施形態＞
以下、図１～図５を参照して、ロータ及びロータの製造方法の第１実施形態について説明する。なお、各図面において、説明の便宜上、構成の一部を誇張または簡略化して示す場合がある。

図１に示すように、ロータ１０は、回転軸としてのシャフト２０と、シャフト２０の外周面に設けられた複数の永久磁石３０と、各永久磁石３０の外周側に設けられ、各永久磁石３０を保持する円筒状の巻付部材４０とを備えている。本実施形態では、シャフト２０の外周面に１２個の永久磁石３０が設けられている。なお、シャフト２０は、ロータ本体の一例である。

シャフト２０は、各永久磁石３０が配置される円柱状の本体部２１と、本体部２１におけるシャフト２０の軸線Ｃに沿う軸線方向の両側に形成され、本体部２１よりも拡径された第１拡径部２２と、第１拡径部２２の上記軸線方向の両側に形成され、第１拡径部２２よりも拡径された第２拡径部２３とを有している。なお、以降において、シャフト２０の軸線Ｃに沿う軸線方向を単に軸線方向と称する。

図２に示すように、各永久磁石３０は、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の外周面に配置されることで、全体として略円筒状をなしている。各永久磁石３０の外周面は、第１拡径部２２の外周面と略面一である。なお、各永久磁石３０は、図示しない接着剤を介して本体部２１の外周面に固定されている。

巻付部材４０は、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た繊維束５０を、各永久磁石３０の外周側に巻き付けて積層することにより形成されている。繊維束５０には、例えば、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂が含浸されている。なお、巻付部材４０の外周面は、第２拡径部２３の外周面と略面一である。

以降において、巻付部材４０の積層方向を単に積層方向と称する。
積層方向における巻付部材４０同士の間には、薄板状をなす金属製のスペーサ６０が設けられている。スペーサ６０は、軸線方向に沿って長い長尺状をなすとともに、シャフト２０の外周面に沿って湾曲している。スペーサ６０は、例えば、アルミニウム合金により形成されている。スペーサ６０の厚みは、例えば、０．２～０．３ｍｍである。

図２及び図３に示すように、巻付部材４０は、複数の繊維束５０が積層されてなる繊維束群５１と、積層方向における繊維束群５１同士の間に設けられた複数のスペーサ６０とにより層構造をなしている。

図３に示すように、本実施形態では、繊維束５０がシャフト２０に４重に巻き付けられて積層されることにより繊維束群５１が構成されている。
スペーサ６０は、積層方向における４つの繊維束群５１同士の間にそれぞれ設けられている。このため、図３において二点鎖線にて囲まれたＡ部に示すように、積層方向において互いに隣り合う２つの繊維束群５１同士の間には、積層方向の内側における繊維束群５１から引き出されるとともに、これら繊維束群５１同士を連ねる繊維束５０が存在する。また、積層方向において互いに隣り合う２つの繊維束群５１同士の間においては、４枚のスペーサ６０が軸線Ｃを中心とする周方向に等間隔にて設けられている。したがって、本実施形態のロータ１０は、都合１２枚のスペーサ６０を備えている。

以降において、各スペーサ６０のうち、積層方向において内側に位置するものから順にスペーサ６０Ａ，スペーサ６０Ｂ，スペーサ６０Ｃと称する。
各スペーサ６０Ａ，６０Ｂ，６０Ｃにおける上記周方向における長さはこれらの順で長い。また、各スペーサ６０Ａ，６０Ｂ，６０Ｃは、上記周方向において同一の位置に設けられている。換言すると、各スペーサ６０Ａ，６０Ｂ，６０Ｃは、積層方向において並んで設けられている。

次に、ロータ１０の製造方法について説明する。
まず、図示しない駆動装置により、本体部２１に永久磁石３０が配置されたシャフト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を各第１拡径部２２の外周側、及び各永久磁石３０の外周側に巻き付けて積層する。これを繰り返すことで、繊維束群５１を形成する。繊維束群５１は、各第１拡径部２２の外周側と各永久磁石３０の外周側との双方に一括して形成される。なお、繊維束５０には、予め熱硬化性樹脂が含浸されている。

図４に示すように、次に、繊維束群５１の軸線方向における端部、すなわち、繊維束群５１の第１拡径部２２の外周側に対応する部分から繊維束５０が引き出された状態で、当該繊維束群５１の外周面にスペーサ６０を配置する。ここで、繊維束群５１には熱硬化性樹脂が含浸されているため、スペーサ６０は、熱硬化性樹脂の粘性により繊維束群５１の外周面に保持された状態となる。

上述したように、スペーサ６０は金属製、且つ薄板状をなしている。このため、スペーサ６０の外周面に繊維束５０を巻き付けることにより、スペーサ６０は、繊維束群５１の外周面上において、シャフト２０の外周面に沿って円弧状に弾性変形する。

図５に示すように、スペーサ６０の外周面に繊維束５０を巻き付けて積層することにより、次の繊維束群５１を形成する。
これらを繰り返すことで、積層方向における繊維束群５１同士の間にスペーサ６０を配置する。

最後に、シャフト２０を加熱炉に収容して熱硬化性樹脂を熱硬化させることにより、巻付部材４０を形成する。
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。
積層方向における巻付部材４０同士の間にスペーサ６０が設けられていることにより、巻付部材４０のうちスペーサ６０の外周側に位置する部分による巻締力がスペーサ６０に作用する。このため、巻付部材４０のうちスペーサ６０の内周側に位置する部分に上記巻締力が作用しにくくなる。これにより、巻付部材４０のうち内周側に位置する部分ほど巻締力が増大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）積層方向における巻付部材４０同士の間には、スペーサ６０が設けられている。
こうした構成によれば、上述した作用を奏することから、巻付部材４０における皺の発生を抑制することができる。

（２）スペーサ６０は、金属製である。
こうした構成によれば、スペーサ６０が金属製であるため、巻付部材４０の巻締力によるスペーサ６０の変形が生じにくい。これにより、スペーサ６０の外周面に作用する巻締力が、当該スペーサ６０の内周側に位置する巻付部材４０に伝達されにくくなる。これにより、巻付部材４０のうち内周側に位置する部分ほど巻締力が増大することを一層抑制できる。したがって、巻付部材４０における皺の発生を一層抑制することができる。

（３）スペーサ６０は、シャフト２０の外周面に沿った薄板状である。
こうした構成によれば、スペーサ６０の外周面の面積が大きくなるため、スペーサ６０の外周面に作用する巻締力が分散される。これにより、巻付部材４０のうちスペーサ６０の内周側に位置する部分に上記巻締力が作用することを効果的に抑制できる。

（４）複数のスペーサ６０が、シャフト２０の周方向に互いに間隔をおいて設けられている。
こうした構成によれば、各スペーサ６０がシャフト２０の周方向において隙間無く設けられる場合に比べて、各スペーサ６０と巻付部材４０との接触面積が小さくなる。このため、各スペーサ６０と巻付部材４０との間に生ずる摩擦力を小さくすることができる。したがって、巻付部材４０のより広い範囲に張力を伝達することができ、巻付部材４０のうち内周側に位置する部分における張力の低下を抑制することができる。

（５）シャフト２０の外周側に巻付部材４０を巻き付けて積層する工程において、巻き付けられた状態の巻付部材４０の外周面にスペーサ６０を配置するとともに、当該スペーサ６０の外周面に巻付部材４０を巻き付けるようにした。

こうした方法によれば、上記効果（１）に準じた効果を奏することができる。
＜第２実施形態＞
以下、図６及び図７を参照して、ロータ及びロータの製造方法の第２実施形態について、第１実施形態との相違点を中心に説明する。なお、各図面において、説明の便宜上、構成の一部を誇張または簡略化して示す場合がある。また、第１実施形態と同一の構成または対応する構成については、第１実施形態の符号に「１００」を加算した符号を付すことにより、重複する説明を省略する。

図６及び図７に示すように、ロータ１１０は、円柱状のシャフト１２０と、シャフト１２０が挿通される円筒状のロータ本体としてのロータコア１２１と、ロータコア１２１の外周側に巻き付けられて積層された巻付部材４０とを備えている。

以降において、巻付部材４０の積層方向を単に積層方向と称する。
ロータコア１２１は、複数の鋼板１２１ａが積層されることにより構成されている。ロータコア１２１は、中心孔１２２及び中心孔１２２を中心とする周方向に間隔をおいて形成された複数の挿入孔１２３を有している。

ロータコア１２１には、周方向において互いに隣り合う都合４対の挿入孔１２３が形成されている。１対の挿入孔１２３における各挿入孔１２３は、長尺状の断面形状をなすとともに、互いに近接するほど内周側に位置している。

一対の挿入孔１２３における各挿入孔１２３同士の間には、ブリッジ部１２４が形成されている。
各挿入孔１２３には、永久磁石１３０が挿入されている。各永久磁石１３０は、挿入孔１２３の断面長手方向に対して長い矩形状の断面形状を有している。各挿入孔１２３の内周面と各永久磁石１３０との間には、図示しない充填材が介在している。

積層方向における巻付部材４０同士の間には、スペーサ６０が設けられている。スペーサ６０は、積層方向における４つの繊維束群５１同士の間にそれぞれ設けられている。また、積層方向において互いに隣り合う２つの繊維束群５１同士の間においては、４枚のスペーサ６０が軸線Ｃを中心とする周方向に等間隔にて設けられている。より詳しくは、各スペーサ６０Ａ，６０Ｂ，６０Ｃは、周方向におけるブリッジ部１２４の外周側に位置する部分に設けられている。

次に、ロータ１１０の製造方法について説明する。
まず、図示しない駆動装置により、シャフト１２０及びロータコア１２１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をロータコア１２１の外周側に巻き付けて積層する。これを繰り返すことで、繊維束群５１を形成する。なお、繊維束５０には、予め熱硬化性樹脂が含浸されている。

次に、繊維束群５１の軸線方向における端部から繊維束５０が引き出された状態で、当該繊維束群５１の外周面にスペーサ６０を配置する。ここで、繊維束群５１には熱硬化性樹脂が含浸されているため、スペーサ６０は、熱硬化性樹脂の粘性により繊維束群５１の外周面に保持された状態となる。

スペーサ６０は金属製、且つ薄板状をなしているため、スペーサ６０の外周面に繊維束５０を巻き付けることにより、スペーサ６０は、繊維束群５１の外周面上において、シャフト２０の外周面に沿って円弧状に弾性変形する。

そして、スペーサ６０の外周面に繊維束５０を巻き付けて積層することにより、次の繊維束群５１を形成する。
これらを繰り返すことで、積層方向における繊維束群５１同士の間にスペーサ６０を配置する。

最後に、シャフト１２０及びロータコア１２１を加熱炉に収容して熱硬化性樹脂を熱硬化させることにより、巻付部材４０を形成する。
このようにして、ロータ１１０が製造される。

本実施形態の作用について説明する。
スペーサ６０は、積層方向における巻付部材４０同士の間であって、周方向におけるブリッジ部１２４の外周側に位置する部分に設けられている。このため、巻付部材４０のうち、ブリッジ部１２４の外周側の部分において、当該部分の内周側ほど巻締力が増大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。
本実施形態のロータ１１０によれば、第１実施形態の効果（１）～（５）に加えて、新たに以下に示す効果が得られるようになる。

（６）スペーサ６０は、ロータコア１２１のブリッジ部１２４の外周側に位置する部分に設けられている。
ロータコア１２１の回転に伴って各永久磁石１３０には遠心力が作用するため、各ブリッジ部１２４には応力集中が生じやすい。このため、ブリッジ部１２４の強度、ひいては、ロータ１１０全体の強度が低下するおそれがある。

この点、上記構成によれば、上述した作用を奏することから、巻付部材４０のうち、ブリッジ部１２４の外周側の部分における皺の発生が抑制される。したがって、ロータコア１２１における上記部分の強度が低下することを抑制できる。

＜変更例＞
上記実施形態は、以下のように変更して実施することができる。上記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。

・上記実施形態のロータ１０は、積層方向における繊維束群５１同士の間にスペーサ６０が設けられるものであった。これに代えて、図８に示すように、長尺帯状をなす１つのスペーサ２６０を繊維束５０の長さ方向に沿わせて重ね合わせるとともに、これらをシャフト２０の外周側に巻き付けて積層することで、繊維束５０同士の間にスペーサ２６０を介在させるようにしてもよい。なお、同図においては、１つの繊維束群５１の外周側にスペーサ２６０及び繊維束５０を巻き付けて積層したロータ２１０を図示している。また、本変更例において、上記実施形態と同一の構成については、同一の符号を付すとともに、対応する構成については、第１実施形態の符号に「２００」を加算した符号を付すことにより、重複した説明を省略する。

・上記変更例においてスペーサ２６０は、例えば、金属線であってもよい。
・第１実施形態において、複数の永久磁石３０に代えて、円筒状に一体に形成され、シャフト２０の本体部２１が挿入される永久磁石を採用することもできる。この場合、シャフト２０の第１拡径部２２が本体部２１に対して着脱可能に設けられていることが好ましい。

・繊維束群５１における繊維束５０の積層数は、適宜変更できる。
・繊維束５０に含浸される熱硬化性樹脂は、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。

・スペーサ６０の数及び各スペーサ６０同士の周方向における間隔は適宜変更できる。
・各スペーサ６０Ａ，６０Ｂ，６０Ｃは、周方向において互いに異なる位置に設けられていてもよい。

・各スペーサ６０Ａ，６０Ｂ，６０Ｃの周方向における長さは適宜変更できる。
・スペーサ６０は、シャフト２０の外周面に沿って予め弧状に湾曲した形状をなしていてもよい。

・スペーサ６０は、アルミニウム合金以外の金属材料からなるものであってもよい。
・スペーサ６０は、金属製に限定されない。他に例えば、樹脂製やセラミックス製であってもよい。

・積層方向の内側に位置する繊維束群５１ほど、繊維束５０の積層数を少なくするようにしてもよい。この構成によれば、積層方向におけるスペーサ６０同士の間の間隔が積層方向の内側ほど小さくなる。このため、積層方向における内側の繊維束群５１には、当該繊維束群５１よりも外周側の繊維束群５１による巻締力が作用しにくくなる。

・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側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、上記ロータコアの外周側に複数の永久磁石３０が設けられ、各永久磁石３０の外周側に巻付部材４０が設けられる。

１０…ロータ、２０…シャフト、２１…本体部、２２…第１拡径部、２３…第２拡径部、３０…永久磁石、４０…巻付部材、５０…繊維束、５１…繊維束群、６０…スペーサ、６０Ａ…スペーサ、６０Ｂ…スペーサ、６０Ｃ…スペーサ、１１０…ロータ、１２０…シャフト、１２１…ロータコア、１２１ａ…鋼板、１２２…中心孔、１２３…挿入孔、１２４…ブリッジ部、１３０…永久磁石、１４０…巻付部材、２１０…ロータ、２４０…巻付部材、２６０…スペーサ。

Claims (4)

1. ロータ本体と、前記ロータ本体の外周側に巻き付けられて積層される巻付部材と、を備えるロータであって、
   前記巻付部材の積層方向における前記巻付部材同士の間には、複数のスペーサが、前記ロータ本体の周方向に互いに間隔をおいて設けられている、
   ロータ。
2. 前記スペーサは、金属製である、
   請求項１に記載のロータ。
3. 前記スペーサは、前記ロータ本体の外周面に沿った薄板状である、
   請求項１または請求項２に記載のロータ。
4. ロータ本体と、前記ロータ本体の外周側に巻き付けられて積層される巻付部材と、を備えるロータの製造方法であって、
   前記ロータ本体の外周側に前記巻付部材を巻き付けて積層する工程を備え、
   前記工程においては、巻き付けられた状態の前記巻付部材の外周面に複数のスペーサを前記ロータ本体の周方向に互いに間隔をおいて配置するとともに、当該スペーサの外周面に前記巻付部材を巻き付ける、
   ロータの製造方法。

Images