WO2023190854A1 - ロータ及びロータの製造方法 - Google Patents

Abstract

ロータ（１２）は、ロータ基部（２１）と、ロータ基部の外側面（２１ａ）の周方向に配置される複数の永久磁石（２２）と、複数の永久磁石の外側面（２２ｂ）に沿ってロータを周回する態様にて装着される飛散防止部材（２３）と、を備える。飛散防止部材は、樹脂基材（２３ａ）と炭素繊維（２３ｂ）とを含む炭素繊維強化樹脂材（ＣＦＲＰ材という）を含んでいる。飛散防止部材は、ロータの内径側に位置する内径側部位（Ａ１）と、ロータの外径側に位置する外径側部位（Ａ２）とを含んでおり、内径側部位が繊維リッチ層をなすとともに外径側部位が樹脂リッチ層をなしている。

Description

ロータ及びロータの製造方法 関連出願の相互参照

　本出願は、２０２２年３月３１日に出願された日本出願番号２０２２－０６０５６６号に基づくもので、ここにその記載内容を援用する。

　本開示は、永久磁石を有するロータ及びロータの製造方法に関する。

　モータのロータにおいて、磁極部としてロータ基部の外側面に複数個の永久磁石を配置して構成されているものが知られている。永久磁石は、ロータの回転時に外径側への遠心力を受け、外径側への浮き上がりから飛散へと繋がる。そのため、永久磁石の外側面を一部又は全部を覆う飛散防止用の部材が設けられているものがある。

　飛散防止用の部材の一例としては、炭素繊維強化樹脂材（ＣＦＲＰ材という）が用いられている（例えば特許文献１参照）。ロータの構成部材にＣＦＲＰ材を用いることは、特にロータに軽量及び高回転が要求される場合に好適である。

特開２０１５－９１２０２号公報

　ＣＦＲＰ材は、熱硬化性樹脂等の樹脂基材と炭素繊維とを含む複合材である。炭素繊維の体積含有率を上げた複合材を使用する場合、強化繊維の樹脂による保護効果が小さくなり得る。そのため、強化繊維が外部刺激により断線する懸念が大きくなるため、使用するにあたって工夫が必要であった。

　本開示の目的は、永久磁石の飛散防止用のＣＦＲＰ材における繊維断線の懸念を低減することが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。
　本開示の第一の態様において、ロータは、ロータ基部と、前記ロータ基部の外側面の周方向に配置される複数の永久磁石と、前記複数の永久磁石の外側面に沿ってロータを周回する態様にて装着される飛散防止部材と、を備えるロータであって、前記飛散防止部材は、樹脂基材と炭素繊維とを含む炭素繊維強化樹脂材（ＣＦＲＰ材という）を含んでおり、前記飛散防止部材は、前記ロータの内径側に位置する内径側部位と前記ロータの外径側に位置する外径側部位とを含んでおり、前記内径側部位が繊維リッチ層をなすとともに前記外径側部位が樹脂リッチ層をなしている。

　上記構成によれば、ロータにおける永久磁石の飛散防止部材は、ＣＦＲＰ材が用いられて内径側部位が繊維リッチ層をなすとともに外径側部位が樹脂リッチ層をなす。そのため、飛散防止部材に対して外部刺激が作用しても樹脂リッチ層の外径側部位が外力を好適に吸収する。つまり、ＣＦＲＰ材の炭素繊維への外力の作用が抑制され、炭素繊維が断線に至るような事象の低減が可能である。

　本開示の第二の態様において、ロータの製造方法は、ロータ基部と、前記ロータ基部の外側面の周方向に配置される複数の永久磁石と、前記複数の永久磁石の外側面に沿ってロータを周回する態様にて装着される飛散防止部材と、を備えるロータの製造方法であって、前記飛散防止部材は、樹脂基材と炭素繊維とを含むＣＦＲＰ材を含んでおり、前記ＣＦＲＰ材はリボン状素材をなしており、加熱硬化処理時の前記樹脂基材の溶融の過程で前記炭素繊維の前記ロータの内径側への移動が促進されるような高張力を前記リボン状素材に付加した状態で前記リボン状素材を前記ロータ周りに巻回することと、前記加熱硬化処理時に前記リボン状素材の高張力状態を維持することと、を備え、それにより前記ロータの内径側である内径側部位が繊維リッチ層をなすとともに外径側部位が樹脂リッチ層をなしている。

　上記方法によれば、ロータにおける永久磁石の飛散防止部材は、ＣＦＲＰ材が用いられて内径側部位が繊維リッチ層をなすとともに外径側部位が樹脂リッチ層をなす。上記と同様に、炭素繊維が断線に至るような事象の低減が可能である。また、ＣＦＲＰ材のリボン状素材に高張力を付与して巻回及び加熱硬化処理を経ることで、内径側部位が繊維リッチ層、外径側部位が樹脂リッチ層をなす飛散防止部材を容易に作製することが可能である。

　本開示についての上記目的およびその他の目的、特徴や利点は、添付の図面を参照しながら下記の詳細な記述により、より明確になる。その図面は、
図１は、一実施形態におけるロータを有するモータの構成図であり、 図２は、同実施形態におけるロータの斜視図であり、 図３は、同実施形態におけるロータの製造過程を示す説明図であり、 図４は、ロータの製造過程を示す説明図であり、（ａ）は加熱硬化処理前の図、（ｂ）は加熱硬化処理後の図であり、 図５は、ロータの製造過程を示す説明図であり、（ａ）は加熱硬化処理前の図、（ｂ）は加熱硬化処理後の図である。

　以下、ロータ及びロータの製造方法の一実施形態について説明する。
　（モータ１０の構成）
　図１に示すように、本実施形態のモータ１０は、ステータ１１とロータ１２とを備えている。ステータ１１は、略円環状に構成されている。ステータ１１は、周方向に例えば２４極のコイル磁極部（図示略）を有してなる。ステータ１１の内側には、ロータ１２が回転可能に配置されている。ステータ１１は、自身のコイル磁極部への通電に基づき、ロータ１２の回転駆動のための回転磁界を発生させる。本実施形態のモータ１０は、一例として使用最高回転数が１２０００［ｒｐｍ］以上の高速回転仕様のモータへの適用を想定している。

　（ロータ１２の構成）
　図１及び図２に示すように、本実施形態のロータ１２は、ロータ基部２１と永久磁石２２と飛散防止部材２３とを備えている。

　ロータ基部２１は、全体として略円筒状に構成されている。ロータ基部２１は、軽量化等を考慮した中空構造をなしている。ロータ基部２１の軸方向一端側部位は、出力軸部２１ｘとして一体的に構成されている。ロータ基部２１の軸方向他端側の外側面２１ａには、周方向に例えば２０個の永久磁石２２が配置されている。すなわち、ロータ１２は、周方向に２０極の磁石磁極部を有してなる。

　永久磁石２２は、略四角形状をなしている。ロータ１２の内径側となる永久磁石２２の内側面２２ａは、ロータ基部２１の外側面２１ａに当接している。内側面２２ａ及び外側面２１ａは、互いに円周面若しくは平坦面をなしている。ロータ１２の外径側となる永久磁石２２の外側面２２ｂは、周方向全部の永久磁石２２によってロータ１２の一様の外周面を構成している。ロータ１２の周方向における永久磁石２２の両側の側端面２２ｃは、隣接の永久磁石２２の側端面２２ｃと当接している。

　永久磁石２２は、一例としてハルバッハ配列磁石にて構成されている。具体的には、永久磁石２２は、周方向において着磁態様の異なる３つの部位に分けられる。永久磁石２２の周方向両側部は、径方向に向く磁束が生じる着磁態様である。永久磁石２２の周方向中央部は、径方向と直交する方向、すなわち周方向に向く磁束であり、自身の両側部に向く磁束が生じる着磁態様となっている。

　飛散防止部材２３は、周方向の複数の永久磁石２２の外側面２２ｂに沿ってロータ１２を周回する態様にて装着されている。飛散防止部材２３は、永久磁石２２を完全に覆うように円筒状をなして設けられている。本実施形態の飛散防止部材２３には、炭素繊維強化樹脂材（ＣＦＲＰ材という）が用いられている。

　（飛散防止部材２３の構成及び装着方法）
　図３に示すように、ＣＦＲＰ材よりなる飛散防止部材２３は、熱硬化性樹脂等の樹脂基材２３ａと炭素繊維２３ｂとを含む複合材である。本実施形態では、炭素繊維２３ｂの体積含有率が６０～７０［％］のＣＦＲＰ材が用いられている。また、飛散防止部材２３は、本実施形態ではリボン状素材２３ｘから作製されている。リボン状素材２３ｘは、自身の幅が永久磁石２２の軸方向長さよりも小さい設定である。リボン状素材２３ｘは、永久磁石２２が露出しないようにロータ１２の永久磁石２２周りを数周巻回されている。またこの場合、リボン状素材２３ｘは、一層若しくは多層に巻回されている。

　そして、リボン状素材２３ｘの所定の巻回後、加熱されて樹脂基材２３ａの溶融及び硬化が行われる。加熱温度については、ＣＦＲＰ材は一般的に１６０～１８０［℃］であるのに対し、本実施形態では永久磁石２２の減磁の影響の小さい１３０～１４０［℃］の温度範囲に設定されている。こうして、樹脂基材２３ａが一体的に融合して硬化した円筒状の飛散防止部材２３が永久磁石２２の外径側に作製されるようになっている。飛散防止部材２３の作製により、永久磁石２２はロータ基部２１の外側面２１ａと密着、また隣接の永久磁石２２の側端面２２ｃ同士も密着した状態でロータ基部２１に対して強固に固定される。またこの場合、永久磁石２２は接着剤による固定方法を併用してもよく、また接着剤を省略することもできる。ちなみに、ロータ１２の永久磁石２２部分の外径が例えば９０［ｍｍ］に対し、飛散防止部材２３の厚さは０．４［ｍｍ］程度に設定されている。

　また本実施形態では、リボン状素材２３ｘの巻回時に一般的な張力よりも大きな張力が用いられる。一般的には、リボン状素材２３ｘの巻回の際、しわのできない且つ加熱中及び硬化後にずれの生じない、例えば１００［Ｎ］程度の張力が用いられる。これに対し本実施形態では、リボン状素材２３ｘの巻回時に例えば２５０～５００［Ｎ］の張力が用いられている。また本実施形態では、リボン状素材２３ｘに高張力が付加された状態を治具（図示略）等で維持されたまま、加熱硬化が行われている。

　（本実施形態の作用）
　本実施形態の作用について説明する。
　図４（ａ）には、永久磁石２２の飛散防止部材２３を作製する過程で、リボン状素材２３ｘが１層巻回された状態が示されている。巻回されたリボン状素材２３ｘには、高張力状態が治具等により維持されている。そして、リボン状素材２３ｘに対して加熱硬化処理が行われると、樹脂基材２３ａの溶融の過程で図４（ｂ）に示すように、リボン状素材２３ｘの内の炭素繊維２３ｂが高張力を受けることで、炭素繊維２３ｂのロータ１２の内径側への移動（永久磁石２２に向かう移動）が促進される。そのため、樹脂基材２３ａの硬化後、すなわち飛散防止部材２３としては、ロータ１２の内径側である内径側部位Ａ１が繊維リッチ層となり、外径側部位Ａ２が樹脂リッチ層となる。したがって、飛散防止部材２３に対して外部刺激が作用しても樹脂リッチ層の外径側部位Ａ２が外力を好適に吸収する。これにより、炭素繊維２３ｂへの外力の作用が抑制されている。つまり、炭素繊維２３ｂが断線に至るような事象を低減することが可能である。

　また、リボン状素材２３ｘに高張力を付加した状態で飛散防止部材２３を作製することで、ロータ１２の使用最高回転時に生じる永久磁石２２の遠心力Ｆ１以上のロータ１２の内径側への締付力Ｆ２が生じるようにすることも可能である。

　図５（ａ）及び図５（ｂ）には、２層等、複数層のリボン状素材２３ｘが巻回された際の態様が示されている。複数層のリボン状素材２３ｘが巻回された場合であっても、高張力状態が維持されて加熱処理が行われることで、巻回時の自身の層から炭素繊維２３ｂがよりロータ１２の内径側に移動しようとする。そのため、飛散防止部材２３は、１層のリボン状素材２３ｘの巻回時と同様に、ロータ１２の内径側である内径側部位Ａ１が繊維リッチ層、外径側部位Ａ２が樹脂リッチ層として作製される。

　（本実施形態の効果）
　本実施形態の効果について説明する。
　（１）ロータ１２における永久磁石２２の飛散防止部材２３はＣＦＲＰ材を含んでおり、飛散防止部材２３の内径側部位Ａ１が繊維リッチ層をなすとともに外径側部位Ａ２が樹脂リッチ層をなしている。そのため、飛散防止部材２３に対して外部刺激が作用しても樹脂リッチ層の外径側部位Ａ２が外力を好適に吸収することができる。つまり、ＣＦＲＰ材の炭素繊維２３ｂへの外力の作用を抑制できる。その結果、炭素繊維２３ｂが断線に至るような事象を低減することができる。

　（２）飛散防止部材２３の内径側部位Ａ１が繊維リッチ層であるため、使用や経年等による樹脂の変形や劣化が内径側部位Ａ１に与える影響は小さい。そのため、飛散防止部材２３の締付力Ｆ２の低下は小さい。したがって、飛散防止部材２３としての機能を長く維持することができる。

　（３）ＣＦＲＰ材のリボン状素材２３ｘを用いることで、飛散防止部材２３を容易に作製することができる。また、ＣＦＲＰ材のリボン状素材２３ｘに高張力を付与して巻回及び加熱硬化処理を経ることで、繊維及び樹脂が偏倚する本実施形態のような飛散防止部材２３を容易に作製することができる。

　（４）飛散防止部材２３は、ロータ１２の使用最高回転時に生じる永久磁石２２の遠心力Ｆ１以上のロータ１２の内径側への締付力Ｆ２を有する。そのため、より確実に永久磁石２２の飛散防止を図ることができる。

　（変更例）
　本実施形態は、以下のように変更して実施することができる。本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。

　・上記した各種数値は一例であり、適宜変更してもよい。
　・飛散防止部材２３を永久磁石２２の全体を覆うように設けたが、永久磁石２２が一部露出する態様であってもよい。

　・永久磁石２２の形状は一例であり、適宜変更してもよい。また、永久磁石２２を一例としてハルバッハ配列磁石としたが、極異方性磁石、ラジアル配向磁石等、他の磁石を用いてもよい。

　・その他、ロータ１２の構成を適宜変更してもよい。ロータ基部２１の形状を適宜変更してもよい。
　・ロータ１２とステータ１１とが径方向に対向するラジアル型のものに適用したが、ロータとステータとが軸方向に対向するアキシャル型のものに適用してもよい。

　・本開示は、実施例に準拠して記述されたが、本開示は当該実施例や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。

　（付記）
　上記実施形態及び変更例から把握できる技術的思想について記載する。
　（Ａ）ロータ基部（２１）と、前記ロータ基部の外側面（２１ａ）の周方向に配置される複数の永久磁石（２２）と、前記複数の永久磁石の外側面に沿ってロータを周回する態様にて装着される飛散防止部材（２３）と、を備えるロータ（１２）と、
　前記ロータの回転駆動のための回転磁界を発生させるステータ（１１）と、
を備えるモータ（１０）であって、
　前記飛散防止部材は、樹脂基材（２３ａ）と炭素繊維（２３ｂ）とを含むＣＦＲＰ材を含んでおり、前記飛散防止部材は、前記ロータの内径側に位置する内径側部位（Ａ１）と前記ロータの外径側に位置する外径側部位（Ａ２）とを含んでおり、前記内径側部位が繊維リッチ層をなすとともに前記外径側部位が樹脂リッチ層をなしている、
　モータ。

Claims (4)

1. 　ロータ基部（２１）と、
   　前記ロータ基部の外側面（２１ａ）の周方向に配置される複数の永久磁石（２２）と、
   　前記複数の永久磁石の外側面（２２ｂ）に沿ってロータを周回する態様にて装着される飛散防止部材（２３）と、
   を備えるロータ（１２）であって、
   　前記飛散防止部材は、樹脂基材（２３ａ）と炭素繊維（２３ｂ）とを含む炭素繊維強化樹脂材（ＣＦＲＰ材という）を含んでおり、前記飛散防止部材は、前記ロータの内径側に位置する内径側部位（Ａ１）と前記ロータの外径側に位置する外径側部位（Ａ２）とを含んでおり、前記内径側部位が繊維リッチ層をなすとともに前記外径側部位が樹脂リッチ層をなしている、
   　ロータ。
2. 　前記ＣＦＲＰ材はリボン状素材（２３ｘ）をなしており、前記リボン状素材は前記ロータ周りを巻回されている、
   　請求項１に記載のロータ。
3. 　前記飛散防止部材は、前記ロータの使用最高回転時に生じる前記永久磁石の遠心力（Ｆ１）以上の前記ロータの内径側への締付力（Ｆ２）を有している、
   　請求項１に記載のロータ。
4. 　ロータ基部（２１）と、
   　前記ロータ基部の外側面（２１ａ）の周方向に配置される複数の永久磁石（２２）と、
   　前記複数の永久磁石の外側面（２２ｂ）に沿ってロータを周回する態様にて装着される飛散防止部材（２３）と、
   を備えるロータ（１２）の製造方法であって、
   　前記飛散防止部材は、樹脂基材（２３ａ）と炭素繊維（２３ｂ）とを含むＣＦＲＰ材を含んでおり、前記ＣＦＲＰ材はリボン状素材（２３ｘ）をなしており、
   　加熱硬化処理時の前記樹脂基材の溶融の過程で前記炭素繊維の前記ロータの内径側への移動が促進されるような高張力を前記リボン状素材に付加した状態で前記リボン状素材を前記ロータ周りに巻回することと、
   　前記加熱硬化処理時に前記リボン状素材の高張力状態を維持することと、を備え、それにより前記ロータの内径側である内径側部位（Ａ１）が繊維リッチ層をなすとともに外径側部位（Ａ２）が樹脂リッチ層をなしている、
   　ロータの製造方法。

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