JPWO2021005774A1 - ロータおよびモータ - Google Patents

Abstract

ロータ（２０）は、鉄心（２１）と、鉄心（２１）の中心軸（Ｃ）に平行な側面（２１ａ）に接着層（２３）によって接着される複数の永久磁石（２２）と、鉄心（２１）の側面（２１ａ）に接着された複数の永久磁石（２２）の外表面に配置される筒状形状の補強部材（２４）と、を備える。補強部材（２４）は、一部の繊維が筒状形状の周方向に配向した繊維強化プラスチックである。接着層（２３）の破断伸びに対する筒状形状を有する繊維強化プラスチックの周方向に配向された繊維の破断伸びの比が、ロータ（２０）の外径（Ｄ）に対する接着層（２３）の厚さ（ｔ）の２倍以下であることを特徴とする。

Description

本発明は、鉄心に接着された永久磁石の表面を繊維強化プラスチックで覆うロータ、モータおよびロータの製造方法に関する。

表面に永久磁石が配置されたロータを有するＳＰＭ（Surface Permanent Magnet）モータは、永久磁石が有する強い磁気を効率的に利用でき、モータトルクの直線性がよく、制御性に優れるという特徴を有する。一方で、ロータを高速回転させると遠心力によって永久磁石が飛散してしまう。そのため、永久磁石のロータへの強固な固定方法が求められている。

特許文献１には、永久磁石が外表面に接着剤で固定された鉄心を、永久磁石を締め付けるための円筒状の繊維強化プラスチック（Fiber Reinforced Plastics：ＦＲＰ）に、圧入または冷やし嵌めによって挿入することによって製造されたロータが開示されている。

特開２００５−３１２２５０号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、ロータの回転時に円筒状の繊維強化プラスチックが破壊に達する前に接着剤が破断してしまう虞がある。この場合には、永久磁石が鉄心から剥がれ、ロータの回転がバランスを失うことによって、ロータが破壊されてしまうという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、回転時に永久磁石を鉄心に接着する接着剤が破断する前に永久磁石の表面を覆う補強部材を破壊の起点とすることができるロータを得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明のロータは、鉄心と、鉄心の中心軸に平行な側面に接着層によって接着される複数の永久磁石と、鉄心の側面に接着された複数の永久磁石の外表面に配置される筒状形状の補強部材と、を備える。補強部材は、一部の繊維が筒状形状の周方向に配向した繊維強化プラスチックである。接着層の破断伸びに対する筒状形状を有する繊維強化プラスチックの周方向に配向された繊維の破断伸びの比が、ロータの外径に対する接着層の厚さの２倍以下であることを特徴とする。

本発明によれば、回転時に永久磁石を鉄心に接着する接着剤が破断する前に永久磁石の表面を覆う補強部材を破壊の起点とすることができるという効果を奏する。

実施の形態にかかるモータの構成の一例を示す断面図 実施の形態にかかるロータの構成の一例を示す断面図 図２の鉄心と永久磁石と補強部材とを含む領域の拡大図 実施の形態にかかるロータの製造方法の手順の一例を示すフローチャート

以下に、本発明の実施の形態にかかるロータ、モータおよびロータの製造方法を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態．
図１は、実施の形態にかかるモータの構成の一例を示す断面図である。モータ１は、筒状形状を有するステータ１０と、ステータ１０の内側に設けられてステータ１０の中心軸Ｃを中心に回転するロータ２０と、を備える。つまり、ステータ１０の中心軸とロータ２０の中心軸とは一致しており、ステータ１０およびロータ２０の中心軸を以下ではＣと表記する。

ステータ１０は、内側に向けて突出された複数のティース１０ａと、ティース１０ａに巻き付けられた巻線１２と、を有する。ロータ２０は、中心軸Ｃに沿って延びる円柱形状を有している。ロータ２０は、ステータ１０との間に隙間を設けて配置される。

図２は、実施の形態にかかるロータの構成の一例を示す断面図であり、図３は、図２の鉄心と永久磁石と補強部材とを含む領域の拡大図である。図３では、図２の領域Ａの部分を拡大して示している。ロータ２０は、多角柱状の鉄心２１と、中心軸Ｃに平行な鉄心２１の各側面２１ａに配置される永久磁石２２と、永久磁石２２を鉄心２１の各側面２１ａに接着させる接着層２３と、鉄心２１に接着された永久磁石２２の外表面を覆う補強部材２４と、を有する。なお、鉄心２１の中心軸は、ロータ２０の中心軸Ｃと一致する。以下では、鉄心２１の中心軸もＣと表記する。

鉄心２１は、ロータ２０の中心軸Ｃに沿って延びる多角柱状を有する。ロータ２０の回転時にアンバランスが発生せずに安定して回転できるように、中心軸Ｃに垂直な鉄心２１の断面は、正多角形を有していることが望ましい。図２の例では、中心軸Ｃに垂直な鉄心２１の断面は、正六角形を有しているが、任意の多角形とすることができる。なお、これは一例であり、鉄心２１の形状は、ロータ２０として必要な磁気を得て、強度を保つことができる形状に適宜設定される。

永久磁石２２は、鉄心２１側に配置される平坦面２２ａと、鉄心２１の径方向の外側に向かって凸な頂面２２ｂと、平坦面２２ａおよび頂面２２ｂを結ぶ側面２２ｃと、を有する。永久磁石２２は、鉄心２１の側面２１ａに、ロータ２０の周方向に沿って等間隔に配置される。図２の例では、鉄心２１の各側面２１ａに接着される永久磁石２２の外側表面を結ぶ輪郭は真円形状となっている。つまり、永久磁石２２の頂面２２ｂは、径方向の外側に向かって凸な円弧状を有し、中心軸Ｃに垂直な永久磁石２２の断面はＤ型を有する。これによって、ロータ２０の回転時に、ロータ２０の永久磁石２２の頂面２２ｂとステータ１０との間の距離が変化しない構成となる。なお、永久磁石２２の形状は、図２に示される形状に限定されるものではなく、モータ１を動作させる上で必要な磁気が得られる形状であればよく、適宜設定可能である。

接着層２３は、永久磁石２２の平坦面２２ａと鉄心２１の側面２１ａとの間を接着し、永久磁石２２を鉄心２１に固定する。接着層２３は、補強部材２４に比して大きい破断伸びを有し、かつ補強部材２４に比して低い弾性率を有する材料が選択される。

補強部材２４は、鉄心２１の側面２１ａに接着された永久磁石２２の外表面を覆い、筒状形状を有する。補強部材２４は、接着層２３に比して小さい破断伸びを有し、かつ高い弾性率を有する材料によって構成される。図２の例では、補強部材２４は、永久磁石２２の頂面２２ｂに接して設けられているが、補強部材２４を永久磁石２２の頂面２２ｂに対して間隔を設けて配置してもよい。ただし、より大きな補強効果を発現させるためには、静止状態において、補強部材２４が永久磁石２２の頂面２２ｂと接触するように設けられることが望ましい。

補強部材２４の一例は、円筒形に成形され、少なくとも繊維の一部が円筒形の周方向に配向された繊維強化プラスチックである。繊維強化プラスチックは、繊維および樹脂で構成されており、適宜、フィラーまたは添加剤が配合されていてもよい。繊維の少なくとも一部を円筒形の周方向に配向させた繊維強化プラスチックの周方向の弾性率は、円筒形のプラスチックの周方向の弾性率に比べて高くなる。このため、ロータ２０の回転時に、径方向の外側に向かって永久磁石２２に遠心力が働いても、繊維強化プラスチックの周方向に発生する引張応力によって、径方向の内側に永久磁石２２を抑え込む力が発生し、永久磁石２２を鉄心２１に固定することができる。

本実施の形態のロータ２０では、永久磁石２２が平坦面２２ａで鉄心２１と接着されており、永久磁石２２の外側を繊維の一部が円筒形の周方向に配向された繊維強化プラスチックからなる補強部材２４が覆う構成となっている。そのため、ロータ２０の回転が加速または減速したときに発生する慣性モーメントに対して、接着力を必要としなくても永久磁石２２をロータ２０に固定することができる。

つぎに、本実施の形態で使用される接着層２３および繊維強化プラスチックの材料について説明する。

上記したように、補強部材２４は、繊維の少なくとも一部を円筒形の周方向に配向させた繊維強化プラスチックによって構成される。具体的には、繊維として、ステンレス鋼に比して引張弾性率が大きく、使用される接着層２３に比して破断伸びが小さい繊維が使用される。ステンレス鋼の引張弾性率は１８０ＧＰａから２２０ＧＰａである。接着層２３として用いられる材料の破断伸びの最小値は、１０％程度であることから、破断伸びが１０％未満である繊維を使用することが望ましい。このような繊維の一例は、ガラス繊維、炭素繊維、ＳｉＣ繊維、アラミド繊維、ボロン繊維である。この中でもより高弾性を実現できる炭素繊維を繊維として用いることが望ましく、炭素繊維の中でも、弾性率がより高く、破断伸びがより小さいものが望ましい。例えば、引張弾性率が６２０ＧＰａであり、破断伸びが０．６％であり、引張強度が３４３０ＭＰａである異方性ピッチ系炭素繊維を繊維として用いることができる。さらに、繊維強化プラスチックの繊維の少なくとも半分以上が異方性ピッチ系炭素繊維であると、高強度および低破断伸びを実現することができる。このような異方性ピッチ系炭素繊維を繊維とした繊維強化プラスチックは、引張弾性率が４００ＧＰａ以上であり、破断伸びが０．６％であり、引張強度が１８００ＭＰａ以上であり、高弾性率を有するので、ロータ２０の回転時に永久磁石２２を径方向の内側に押さえつけるのに適している。また、円筒形の周方向に繊維を配向させることで、円筒形の周方向において高い機械特性、特に高い弾性率を有する繊維強化プラスチックを実現することができる。

繊維の形態に関しては、繊維長が１ｍｍ以上である繊維を用いることが望ましい。繊維長が１ｍｍ以上３０ｍｍ以下である、いわゆるチョップド繊維を用いる場合には、繊維強化プラスチックの破壊は、樹脂に依存せず、繊維の強度によって支配される。繊維が周方向に長く繋がっている、いわゆる連続繊維を用いる場合には、繊維強化プラスチックの強度および弾性率を高くすることができるので望ましい。一例として、繊維の長さは、中心軸Ｃに垂直な断面における鉄心２１に接着された永久磁石２２の外表面の輪郭の長さ以上であることが望ましい。なお、繊維長が１ｍｍ未満である繊維は、円筒形の繊維強化プラスチックの周方向での引張弾性率をステンレス鋼に比して大きくできなかったり、接着層２３に比して破断伸びを小さくできなかったりするので、望ましくない。

繊維の配向方向に関しては、繊維は、円筒形の周方向に配向していることが望ましい。一般的に、「周方向」は、ロータ２０の中心軸Ｃに対して９０度または−９０度の方向をいう。しかし、本実施の形態では、中心軸Ｃに対して９０度または−９０度の方向の場合のみではなく、中心軸Ｃに対して９０度または−９０度の方向から生産性を害さない範囲で繊維が傾いていても周方向に配向しているものとして扱う。一例では、中心軸Ｃに対して８０度から９０度の範囲または−８０度から−９０度の範囲で繊維が配向されている場合にも、周方向に配置されているものとして扱う。これは、ロータ２０の製造にあたって、繊維が中心軸Ｃに対して８０度から９０度の範囲または−８０度から−９０度の範囲で交差するように配置される場合が多いからである。また、ロータ２０の中心軸Ｃに対して８０度から９０度の範囲または−８０度から−９０度の範囲で交差するように永久磁石２２の外表面に繊維を配置しても、中心軸Ｃに対して９０度または−９０度の方向に繊維を配置した場合と同様に、周方向の弾性率を高めることができるからである。例えば、フィラメントワインディング法などの一定の送りピッチで連続繊維を巻き付ける製造方法では、中心軸Ｃに対して８０度から９０度の範囲または−８０度から−９０度の範囲で交差するように繊維が配置される。

また、円筒形の周方向に配向する繊維と、周方向に交差する他の方向に配向する繊維と、を有するように、複数の方向に繊維が配向されていてもよい。周方向に交差する方向の一例は、中心軸Ｃの方向、または中心軸Ｃに対して４５度傾いた方向である。ただし、複数の方向に繊維を配向させる場合には、繊維強化プラスチックの周方向の引張弾性率がステンレス鋼の引張弾性率よりも大きくなるように、繊維の配向方向が設定される。一例では、全体の繊維の半分以上を円筒形の周方向に配向させることによって、繊維強化プラスチックの周方向の引張弾性率がステンレス鋼の引張弾性率よりも大きくなり、補強部材２４がステンレス鋼製である場合には実現できない永久磁石２２の補強効果が得られる。また、繊維が周方向以外にも配向しているので、周方向以外の応力に対しても機械特性に優れた繊維強化プラスチックが得られる。

本実施の形態では、ロータ２０の回転時に永久磁石２２を保持することが可能な周方向の機械特性が求められる。そこで、繊維がすべて異方性ピッチ系炭素繊維で、ロータ２０の中心軸Ｃに対して＋８８度または−８８度の方向に繊維が配向された繊維強化プラスチックで補強部材２４を構成する場合を例に挙げる。このように、高弾性を有しかつ破断伸びが小さい繊維のすべてを意図的に周方向に向けているので、周方向の弾性率および強度がより高くなり、永久磁石２２の移動量がより少ない場合でも、補強部材２４によって永久磁石２２を鉄心２１に保持させることができる。

また、上記した説明では、１種類の繊維を用いた繊維強化プラスチックが例示されたが、複数の繊維、例えば炭素繊維およびガラス繊維、を組合せて繊維強化プラスチックとしてもよい。

繊維強化プラスチックの樹脂については、所定の性能が付与されるように材質が選択される。樹脂は、エポキシ樹脂、ビニルエステル、不飽和ポリエステル、フラン、ポリウレタン、ポリイミド、ポリアミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルスルホン、ポリプロピレン、ポリエステル、ポリカーボネイト、アクリロニトリルスチレン、アクリロニトリルブタジエンスチレンおよび変性ポリフェニレンエーテルの群から選択される。補強部材２４に求められる強度および剛性の観点から、樹脂は、エポキシ樹脂であることが望ましい。また、所定の性能が補強部材２４に付与されるように、樹脂に添加剤またはフィラーが混ぜられてもよい。

接着層２３は、鉄心２１と永久磁石２２との間に塗布される接着剤を硬化させたものである。接着層２３は、破断伸びが繊維強化プラスチックよりも大きく、弾性率が繊維強化プラスチックよりも低い材料が選択される。このような接着層２３として、アクリル樹脂を主成分とする接着層２３またはエラストマー系の接着層２３が望ましい。アクリル樹脂を主成分とする接着層２３は、１０％以上５０％以下の破断伸びを実現することができる。エラストマー系の接着層２３は、アクリル樹脂を主成分とする接着層２３よりもさらに破断伸びを大きくすることができる。これらより、接着層２３は、１０％以上の破断伸びを有するので、繊維強化プラスチックの破断伸びは、１０％未満であることが望ましい。なお、エラストマー系の接着層２３の中でも、熱硬化性樹脂系エラストマーは、永久磁石２２および鉄心２１との接着力を強くすることができる。

熱硬化性樹脂系エラストマーとして、ウレタン樹脂、フッ素樹脂、変性シリコーン樹脂またはシリコーン樹脂を主成分とするものが例示される。シリコーン樹脂は、良好な耐熱性および耐薬品性を有し、１００％から６９０％の破断伸びを実現することができる。シリコーン樹脂は、その他の樹脂と比較して、耐薬品性および酸化劣化の観点で優れるとともに、破断伸びを大きくすることができる材料である。

なお、破断伸びが１０％未満のエポキシ樹脂を主成分とする接着層２３は、繊維強化プラスチックが破壊に達する前に接着層２３が破断してしまう。例えば図２のロータ２０が回転中に、６個の永久磁石２２の内の１個の永久磁石２２の接着層２３が破断すると、アンバランスを起こしてしまい、ロータ２０が破壊されてしまう。そのため、破断伸びが１０％以上ある接着層２３を使用することが望ましい。

なお、上記の主成分を有し、かつ破断伸びを大きく、具体的には繊維強化プラスチックよりも大きい破断伸びの値を保っていれば、その他の成分を混ぜたり、分散させたりした接着層２３が使用されてもよい。一例として、変性シリコーン樹脂にエポキシ樹脂を分散させた接着剤を用いることによって、界面の接着強度が上昇した接着層２３を得ることができる。また、接着層２３をポーラス状にすることによっても、破断伸びを大きくすることができる。

このような材料の接着層２３を用いて永久磁石２２を鉄心２１に接着し、永久磁石２２の外表面を繊維強化プラスチックで覆う構造とすると、破断伸びが小さい繊維強化プラスチックが破壊するまで接着層２３は破断しない。つまり、ロータ２０の破壊は、接着層２３の強度が弱い部分に依存することがなくなり、繊維強化プラスチックの周方向の高い強度を活かして、永久磁石２２を鉄心２１に固定することができる。ロータ２０の回転時には、ロータ２０の径方向の外側に向かって永久磁石２２に働く遠心力によって、永久磁石２２が円筒形の径方向に均等に微小変位する。このとき、繊維強化プラスチックよりも大きい破断伸びを有する接着層２３が破壊することはなく、永久磁石２２は繊維強化プラスチックに押し付けられる。そして、繊維強化プラスチックの周方向に発生する引張応力によって、径方向の内側に抑え込む力が発生し、永久磁石２２が繊維強化プラスチックによって固定される。そのため、永久磁石２２は、接着層２３の強度で保持されるよりも、繊維強化プラスチックの高い強度で保持されることになる。つまり、接着層２３による永久磁石２２の保持が、繊維強化プラスチックによって補強される。

つぎに、接着層２３の厚さについて説明する。接着層２３の厚さが厚いほど、繊維強化プラスチックが破壊するまで接着層２３が破壊しなくなる。遠心力を受けて永久磁石２２が円筒形の径方向の外側に移動しても、接着層２３の径方向に発生する引張歪は低く抑えられ、接着層２３の破壊が回避される。また、接着層２３の厚さを予め定められた厚さ以上にすることで、耐衝撃性が接着層２３に付加される。具体的には、接着層２３の厚さを０．０５ｍｍ以上にすると、接着層２３は耐衝撃性を有するようになる。

一方で、接着層２３の厚さを薄くすると、接着面のせん断強度が向上する。具体的には、接着層２３の厚さを０．５ｍｍ以下にすると、せん断強度が向上することが知られている。

ロータ２０の外径は、目的のモータ１または発電機に応じて設定される。例えば、直径１０ｍｍ程度の外径を有するロータ２０を備える掃除機または玩具に使用される小型のモータ１から、直径４．６ｍ程度の外径を有するロータ２０を備える発電プラントに使用される大型の発電機までの間で様々な大きさのロータ２０が使用される。これらの間の外径のものには、例えば、自動車のスタータモータに使用される２５ｍｍ以上１６０ｍｍ以下のロータ２０、電気自動車の駆動モータに使用される８０ｍｍ以上４００ｍｍ以下のロータ２０、ＮＣ（Numerical Control）加工機の主軸モータに使用される８０ｍｍ以上２００ｍｍ以下のロータ２０、風力発電用発電機に使用される１２０ｍｍ以上３ｍ以下のロータ２０などがある。

本実施の形態では、接着層２３の破断伸びに対する筒状形状を有する繊維強化プラスチックの周方向に配向された繊維の破断伸びの比が、ロータ２０の外径に対する接着層２３の厚さの２倍以下となる。つまり、接着層２３の破断伸びε_aと、繊維強化プラスチックの周方向に配向された繊維の破断伸びε_fとの関係が、ロータ２０の外径Ｄおよび接着層２３の厚さｔを用いて次式（１）を満たすことが求められる。

ε_f／ε_aが上限を超えると、永久磁石２２に働く遠心力によって永久磁石２２が径方向の外側に移動しようとするが、補強部材２４である繊維強化プラスチックが破壊するまでは、接着層２３は破壊しない。そのため、繊維強化プラスチックが回転時の破壊を支配することになる。次式（２）の範囲で繊維強化プラスチックによる永久磁石２２を保持する際の補強効果が得られる。

より好ましくは、ε_f／ε_aが次式（３）を満たすときに、繊維強化プラスチックによる補強効果が得られる。

一方、ε_f／ε_aが下限を下回る場合には、フィラメントワインディング法によって、本実施の形態によるロータ２０を生産することができない。破断伸びε_fが０．３％以上で２．４％以下である炭素繊維が産業用途で実用化されている（例えば、ＦＲＰ構造設計便覧、植村益次ら、社団法人強化プラスチック協会、１９９４、ｐ．６−１２）。中でも、繊維強化プラスチックの円筒形の周方向に配向された繊維の破断伸びε_fを０．３％以上１．１％以下の範囲で実現することができる異方性ピッチ系炭素繊維が望ましい。ここでは、破断伸びε_fが０．３％である異方性ピッチ系炭素繊維を用いる場合を例に挙げる。

接着剤の破断伸びは様々であるので、種々の接着剤を用いて、ε_f／ε_aの下限値を調べる。下記のＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇの接着剤で永久磁石２２を鉄心２１に接着し、樹脂に含侵した異方性ピッチ系炭素繊維をフィラメントワインディング法によって、鉄心２１に接着された永久磁石２２の外表面に巻き付ける成形試験を実施する。
Ａ：破断伸びε_aが５％であるエポキシ樹脂接着剤
Ｂ：破断伸びε_aが１０％であるアクリル樹脂接着剤
Ｃ：破断伸びε_aが５０％であるアクリル樹脂接着剤
Ｄ：破断伸びε_aが１００％であるシリコーン樹脂接着剤
Ｅ：破断伸びε_aが３５０％である変性シリコーン樹脂接着剤
Ｆ：破断伸びε_aが６９０％である気泡を含ませたポーラス状の変性シリコーン樹脂接着剤
Ｇ：破断伸びε_aが７５０％である気泡を含ませたポーラス状の変性シリコーン樹脂接着剤

成形試験の結果、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆの接着剤で永久磁石２２を接着した場合には、フィラメントワインディング法でロータ２０を良好に成形することができる。これに対して、Ｇの接着剤で永久磁石２２を接着した場合には、繊維を巻き付けるときの力で、永久磁石２２が鉄心２１から脱落してしまい、フィラメントワインディング法でロータ２０を成形することができない。以上のことからε_fが０．３％で、ε_aが６９０％のときに臨界値となる。つまり、次式（４）のε_f／ε_aを満たすときに、フィラメントワインディング法で本実施の形態によるロータ２０を成形することが可能となる。そして、（２）式および（４）式によって、（１）式が導かれる。

接着層２３の厚さｔが厚過ぎると、ロータ２０の回転速度の加減速時に発生する軸振れが大きくなり、ステータ１０との接触を招く可能性がある。具体的には、ロータ２０における接着層２３の厚さｔとロータ２０の外径Ｄとの比を１／１５０以下としておくことで、これ以上の軸振れが起こらない。なお、径方向に延在する直線は、ロータ２０の外周と２か所で交わるので、接着層２３もこの直線と２か所で交わる。つまり、ロータ２０の外径の中には、２つの接着層２３の厚さが含まれることになる。そのため、次式（５）のような関係が導かれる。これによって、モータ１におけるロータ２０とステータ１０とのギャップを狭くすることができる。

（１）式および（５）式によって、次式（６）が得られる。すなわち、接着層２３の破断伸びε_a、繊維強化プラスチックの周方向に配向された繊維の破断伸びε_f、接着層２３の厚さｔおよびロータ２０の外径Ｄが（６）式の関係を満たす場合に、上記の繊維強化プラスチックおよび接着層２３の構成で、繊維強化プラスチックの破壊の前に接着層２３が破断されることを回避することができる。

なお、接着層２３の厚さｔとロータ２０の外径Ｄとの関係が（６）式を満たすようにするには、接着層２３の中に、ロータ２０の外径Ｄの１／４６００以上で１／１５０以下となる平均粒径を有するフィラーを分散させればよい。これによって、接着層２３の厚さｔがロータ２０の外径Ｄの１／４６００以上で１／１５０以下となるようにすることができる。

つぎに、上記したロータ２０の製造方法について説明する。図４は、実施の形態にかかるロータの製造方法の手順の一例を示すフローチャートである。

まず、中心軸Ｃに平行な鉄心２１の側面２１ａに接着層２３を介して永久磁石２２を接着する（ステップＳ１１）。具体的には、中心軸Ｃに平行な鉄心２１の側面２１ａと永久磁石２２の平坦面２２ａとが接着剤で接着され、接着剤を硬化させて接着層２３が形成される。これによって、永久磁石２２が中心軸Ｃに平行な鉄心２１の側面２１ａに接着される。また、ロータ２０の周方向に沿って、鉄心２１の側面２１ａに等間隔に永久磁石２２が配置される。図２に示されるように、永久磁石２２の頂面２２ｂは円弧状を有しているので、中心軸Ｃに垂直な断面において、鉄心２１に接着されたすべての永久磁石２２によって構成される外表面の輪郭は、真円形状を有している。このとき接着層２３の厚さが目的の厚さとなるように、平均粒径が目的の厚さとなるフィラーが分残された接着剤を使用することが望ましい。目的の厚さは、（６）式に示されるように、ロータ２０の外径Ｄの１／４６００以上で１／１５０以下の範囲である。

一例では、接着剤として、アクリル樹脂を主成分とするものまたは、エラストマー系のものが使用される。エラストマー系の接着剤として、ウレタン樹脂、フッ素樹脂、変性シリコーン樹脂またはシリコーン樹脂を主成分とするものが使用される。

ついで、繊維に未硬化の樹脂を含侵させる（ステップＳ１２）。この繊維は、束で構成されていてもよい。一例では、繊維として、ガラス繊維、炭素繊維、ＳｉＣ繊維、アラミド繊維、ボロン繊維が使用される。また、一例では、樹脂は、エポキシ樹脂、ビニルエステル、不飽和ポリエステル、フラン、ポリウレタン、ポリイミド、ポリアミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルスルホン、ポリプロピレン、ポリエステル、ポリカーボネイト、アクリロニトリルスチレン、アクリロニトリルブタジエンスチレンおよび変性ポリフェニレンエーテルの群から選択される。

その後、未硬化の樹脂を含侵させた繊維を、鉄心２１に接着された永久磁石２２の外表面の全体にわたって直接巻き付ける（ステップＳ１３）。ついで、永久磁石２２に巻き付けられた繊維に含侵させた樹脂を硬化させる（ステップＳ１４）。一例では、永久磁石２２が接着され、さらに永久磁石２２の外表面に繊維が巻き付けられた鉄心２１を、オーブンなどの加熱装置で加熱し、樹脂を硬化させる。これによって、図２に示されるように、繊維強化プラスチックからなる円筒状の補強部材２４が永久磁石２２の外表面を覆うように形成される。以上によって、ロータ２０が製造される。

なお、上記の工程において、目的の形状に応じて、永久磁石２２が接着された鉄心２１の外形を加工する工程を設けてもよい。また、特許文献１に記載の技術では、永久磁石２２が接着された鉄心２１を、筒状形状の繊維強化プラスチックに圧入または冷やし嵌めによって嵌めこんでいる。圧入では圧入力でロータ２０が損傷する虞があり、冷やし嵌めではヒートショックでロータ２０が損傷する虞がある。しかし、上記した本実施の形態の製造方法によれば、ロータ２０が損傷する可能性を低減することができる。つまり、生産性に優れるロータ２０の製造方法を提供することができる。

（実施例）
つぎに実施例について説明する。ロータ２０の外径Ｄは４０ｍｍである。破断伸びε_aが１６０％であり、引張弾性率が４５．８ＭＰａであるシリコーン樹脂によって構成される接着剤が用いられる。接着剤には、平均粒径が１００μｍであり、標準偏差が５μｍであるガラス製のビーズがフィラーとして分散されている。フィラーは、２ｗｔ．％の割合で接着剤に分散されている。この接着剤を使用することによって、接着層２３の厚さｔは１００μｍにコントロールされる。この接着剤を用いて、鉄心２１の中心軸Ｃに平行な側面２１ａに永久磁石２２を接着する。永久磁石２２が接着された鉄心２１は、円柱形状を有する。

補強部材２４となる繊維強化プラスチックの繊維は１種類で、異方性ピッチ系炭素繊維の連続繊維である。繊維の破断伸びε_fは０．６％であり、引張弾性率は６００ＧＰａである。この繊維を１束３０００本にする。また、この束にした繊維に、ビスフェノールＡ型エポキシと酸無水物とを所定の配合で混合した未硬化の樹脂を含侵させる。そして、フィラメントワインディング法を用いて、この繊維を、鉄心２１に接着層２３で接着された永久磁石２２の外表面に直接巻き付ける。ワインディングの送りピッチは１周の巻き付け当たり３ｍｍとする。その後、オーブンで加熱し、樹脂を硬化させ、円筒形状の繊維強化プラスチックからなる補強部材２４が成形される。繊維の配向角度は、ロータ２０の中心軸Ｃに対して＋８９度または−８９度となる。繊維強化プラスチックの厚さは１ｍｍである。

この場合、接着層２３の破断伸びε_aと、円筒形状の繊維強化プラスチックの周方向に配向された繊維の破断伸びε_fとの関係は、次式（７）によって示される。

また、ロータ２０の外径Ｄと接着層２３の厚さｔとの比は、次式（８）で示される。なお、ロータ２０の中心軸Ｃに垂直な断面における径方向の直線は、２つの接着層２３と交わるため、（８）式は次式（９）のようになる。

（７）式で得られたε_f／ε_aと、（９）式で得られた２ｔ／Ｄは、ともに上記した（６）式の関係を満たす。つまり、繊維強化プラスチックがロータ２０の回転時の破壊の起点となるため、繊維強化プラスチックによって永久磁石２２を鉄心２１の外周に保持させる補強効果が得られる。同時に、ロータ２０をフィラメントワインディング法で製造する場合に永久磁石２２が脱落することがなく、図２に示される構造を実現することができる。また、所望の平均粒径を有するフィラーを接着層２３に分散させたので、接着層２３の厚さを容易にコントロールすることができる。フィラメントワインディング法で製造することで、圧入または冷やし嵌めの工程が不要となり、生産性に優れる製造方法によってロータ２０を製造することができる。

このようにして製造されたロータ２０を、大気圧中、２３℃で回転させて、１０００ｒｐｍ／ｍｉｎで回転数を掃引したところ、９２０００ｒｐｍまで損傷無く回転し、９３０００ｒｐｍに達したところで繊維強化プラスチックが破壊した。

この製造方法によって製造されたロータ２０は、静止状態においては成形時の熱応力を受けているが、圧入または冷やし嵌めで製造される場合のように意図的な圧力で繊維強化プラスチックが引っ張られていない。そのため、円筒形状の繊維強化プラスチックの表面の周方向の引張ひずみの絶対値が３００με以下となる。なお、円筒形状の繊維強化プラスチックの表面の周方向の引張ひずみの絶対値が３００μεよりも大きい場合には、圧入または冷やし嵌めで製造される場合のように、成形時に熱応力を受けていると考えられる。つまり、周方向の引張ひずみの絶対値が３００με以下となる円筒形状の繊維強化プラスチックは、圧入または冷やし嵌めでは製造することができない。

本実施の形態において、接着層２３の破断伸びε_aは、ＪＩＳ（Japanese Industrial Standards） Ｋ７１６１−１９９４（ＩＳＯ（International Organization for Standardization） ５２７−１）またはＪＩＳ Ｋ７１２７−１９９９に準拠して求めたものである。試験片である接着層２３を上記規格に準拠した寸法で作製することができない場合には、相似形の試験片を用いて測定しても、これと同等と考えてよい。

また、本実施の形態において、繊維の破断伸びε_fは、ＪＩＳ Ｒ ７６０６−２０００の方法に準拠して求めたものである。繊維強化プラスチックから繊維を取り出す必要がある場合であっても、ＪＩＳ Ｋ ７０７５―１９９１の「７．炭素繊維の質量の測定」に記載のある燃焼法、硝酸分解法、硫酸分解法のうち、繊維を損傷しないいずれかの方法の原理で繊維が抽出されればよい。繊維の長さが上記規格に準拠した寸法で作製できない場合であっても、相似形の試験片を用いて測定してもよい。

ここでいう接着層２３の破断伸びε_aおよび繊維の破断伸びε_fは、ロータ２０が運転するときの環境温度あるいはそれを知り得ない場合には２３℃の温度で測定されたものをいう。

実施の形態によれば、ロータ２０は、破断伸びがε_aとなる接着層２３で鉄心２１と永久磁石２２との間が接着され、また、鉄心２１に接着された永久磁石２２の外表面に破断伸びがε_fとなる繊維を有する円筒形の繊維強化プラスチックが巻き付けられた構成を有する。繊維強化プラスチックは、円筒形の周方向に少なくとも一部の繊維が配向される。ロータ２０の外径をＤとし、接着層２３の厚さをｔとしたときに、（２）式を満たす接着層２３および繊維強化プラスチックが用いられる。これによって、ロータ２０の回転時に接着層２３が破断する前に繊維強化プラスチックが破壊される。すなわち、破壊の起点が繊維強化プラスチックとなる。そのため、繊維強化プラスチックが破壊されるまでの間は、繊維強化プラスチックで永久磁石２２を強固に鉄心２１に保持させる補強効果を得ることができる。

また、（４）式を満たす接着層２３および繊維強化プラスチックを用いることで、ロータ２０の製造中に、フィラメントワインディング法で、永久磁石２２が脱落することなく、永久磁石２２の周囲に繊維を巻き付けることができる。

さらに、繊維強化プラスチックの破断伸びε_fよりも大きい、１０％以上の破断伸びε_aを実現することができるエラストマーの接着層２３が用いられてもよい。また、破断伸びε_aが１００％以上６９０％以下である接着層２３が用いられてもよい。これらの構成とすることによって、ロータ２０の回転中に、繊維強化プラスチックで強固に永久磁石２２を鉄心２１に固定させることができ、また繊維強化プラスチックを破壊の起点とすることができる。同時に、ロータ２０の製造中に永久磁石２２が脱落することなく、繊維を永久磁石２２の外表面に巻き付けることができる。

また、平均粒径がロータ２０の外径Ｄの１／４６００以上で１／１５０以下のフィラーを分散させた接着剤を用いることで、接着層２３の厚さｔを所望の厚さに制御することができる。

さらに、繊維強化プラスチックとして、繊維の半分以上が異方性ピッチ系炭素繊維である炭素繊維強化プラスチックを用いてもよい。あるいは、繊維の半分以上が円筒形の周方向に配向された炭素繊維を有する炭素繊維強化プラスチックを用いてもよい。これによって、繊維強化プラスチックの周方向に配向された繊維の破断伸びε_fを０．３％以上１．１％以下の範囲で実現することができる。その結果、炭素繊維強化プラスチックが回転時の破壊の起点となり、炭素繊維強化プラスチックによって鉄心２１に永久磁石２２が固定される補強効果が得られる。

また、本実施の形態では、破断伸びがε_aとなる接着層２３で永久磁石２２を鉄心２１に接着し、樹脂を含侵させた破断伸びがε_fとなる樹脂を含侵させた繊維を永久磁石２２の表面に巻き付け、樹脂を硬化させてロータ２０を製造する。これによって、圧入または冷やし嵌めの方法を用いて永久磁石２２が接着された鉄心２１に円筒形の繊維強化プラスチックを嵌めこむ場合に比して、ロータ２０の製造時における損傷を抑制することができる。その結果、圧入または冷やし嵌めによって永久磁石２２が接着された鉄心２１に円筒形の繊維強化プラスチックを嵌めこむ場合に比して、ロータ２０を製造する生産性を向上させることができる。

なお、上記した実施の形態では、モータ１のロータ２０を例に挙げたが、本実施の形態がモータ１に限定されるものではなく、発電機のロータ２０に対して適用されてもよい。この場合にも、同様の構成で同様の効果を得ることができる。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１ モータ、１０ ステータ、１０ａ ティース、１２ 巻線、２０ ロータ、２１ 鉄心、２１ａ 側面、２２ 永久磁石、２２ａ 平坦面、２２ｂ 頂面、２２ｃ 側面、２３ 接着層、２４ 補強部材。

Claims (11)

1. 鉄心と、
   前記鉄心の中心軸に平行な側面に接着層によって接着される複数の永久磁石と、
   前記鉄心の側面に接着された前記複数の永久磁石の外表面に配置される筒状形状の補強部材と、
   を備え、
   前記補強部材は、一部の繊維が前記筒状形状の周方向に配向した繊維強化プラスチックであり、
   前記接着層の破断伸びに対する前記筒状形状を有する前記繊維強化プラスチックの周方向に配向された前記繊維の破断伸びの比が、当該ロータの外径に対する前記接着層の厚さの２倍以下であることを特徴とするロータ。
2. 前記接着層の破断伸びε_aと、筒状形状を有する前記繊維強化プラスチックの周方向に配向された前記繊維の破断伸びε_fとの関係が、当該ロータの外径をＤとし、前記接着層の厚さをｔとしたときに、次式の関係を満たすことを特徴とする請求項１に記載のロータ。
   

   
3. 前記接着層は、エラストマーを含むことを特徴とする請求項１または２に記載のロータ。
4. 前記接着層の破断伸びε_aは、１００％以上６９０％以下であることを特徴とする請求項３に記載のロータ。
5. 前記接着層の厚さは、前記ロータの外径の１／４６００以上１／１５０以下であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載のロータ。
6. 前記接着層は、平均粒径が前記ロータの外径の１／４６００以上１／１５０以下であるフィラーを有することを特徴とする請求項５に記載のロータ。
7. 前記繊維強化プラスチックは、前記繊維の半分以上が異方性ピッチ系炭素繊維である炭素繊維強化プラスチックであることを特徴とする請求項１から６のいずれか１つに記載のロータ。
8. 前記繊維強化プラスチックの前記繊維の半分以上が前記筒状形状の周方向に配向していることを特徴とする請求項１から７のいずれか１つに記載のロータ。
9. 前記ロータが静置された状態で、前記筒状形状を有する前記繊維強化プラスチックの表面の周方向の歪の絶対値が３００με以下であることを特徴とする請求項１から８のいずれか１つに記載のロータ。
10. 筒状形状を有するステータと、
    前記ステータの内側に、前記ステータの中心軸を中心に回転可能に設けられる請求項１から９のいずれか１つに記載のロータと、
    を備えることを特徴とするモータ。
11. 鉄心の中心軸に平行な側面に接着層によって複数の永久磁石を接着する工程と、
    未硬化の樹脂を含侵した繊維を、前記鉄心に接着された前記複数の永久磁石の外表面に巻き付ける工程と、
    前記樹脂を硬化させる工程と、
    を含むことを特徴とするロータの製造方法。

Images