JP2018107975A

JP2018107975A - 電動モータ

Info

Publication number: JP2018107975A
Application number: JP2016254568A
Authority: JP
Inventors: 賢治谷; Kenji Tani
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2016-12-28
Filing date: 2016-12-28
Publication date: 2018-07-05

Abstract

【課題】永久磁石の周囲にスリーブを設けたモータ構造において、永久磁石の割れや繊維の剥離等の問題を抑制する。【解決手段】電動モータ１００のロータ１４０は、ロータ軸１４２と、前記ロータ軸の外周に設けられた永久磁石１４４と、前記永久磁石の外周に設けられ繊維強化樹脂材料で形成されたスリーブ１５０と、を備える。前記スリーブは、前記永久磁石に接する内層１５４と、前記内層よりも外側に設けられた外層１５２とを有し、前記内層の繊維方向が、前記外層の繊維方向よりも前記ロータ軸の軸方向に近い方向に設定されている。【選択図】図２

Description

本発明は、永久磁石を用いた電動モータに関する。

特許文献１では、ロータの永久磁石の周囲に、繊維強化樹脂材料で形成された保護カバーを設けることによって、遠心力による永久磁石の破損を防止する電動モータが提案されている。この電動モータでは、永久磁石付きのロータが、保護カバーから圧縮力を受けた状態で固定される。なお、以下では保護カバーを「スリーブ」とも呼ぶ。

特開平８−１０７６４１号公報

高速で回転する電動モータの場合に、遠心力による永久磁石の破損を防止するためには、スリーブの締め代をより大きく設定することが望ましい。しかし、スリーブの締め代を大きく設定すると、永久磁石の割れや繊維の剥離等の問題が生じ得る。そこで、これらの問題の発生を抑制可能な技術が望まれている。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

本発明の一形態によれば、ステータ（１２０）とロータ（１４０）とを備えた電動モータ（１００，１００ａ）が提供される。この電動モータにおいて、前記ロータは、ロータ軸（１４２）と、前記ロータ軸の外周に設けられた永久磁石（１４４）と、前記永久磁石の外周に設けられ、繊維強化樹脂材料で形成されたスリーブ（１５０，１５０ａ）と、を備える。前記スリーブは、前記永久磁石に接する内層（１５４，１５４ａ）と、前記内層よりも外側に設けられた外層（１５２，１５２ａ）とを有し、前記内層の繊維方向が、前記外層の繊維方向よりも前記ロータ軸の軸方向に近い方向に設定されている。

この形態の電動モータによれば、スリーブの内層の繊維方向が、外層の繊維方向よりもロータ軸の軸方向に近い方向に設定されているので、スリーブに大きな締め代を設けても、永久磁石の割れや繊維の剥離等の問題の発生を抑制することができる。

第１実施形態としての電動モータの構成を示す説明図。第１実施形態においてスリーブにロータ軸を圧入する様子を示す説明図。第２実施形態としての電動モータの構成を示す説明図。第２実施形態においてスリーブにロータ軸を圧入する様子を示す説明図。

Ａ．第１実施形態：
図１に示すように、第１実施形態の電動モータ１００は、モータケース１１０と、ステータ１２０と、ロータ１４０と、軸受け１６０とを備える。ステータ１２０は、モータケース１１０内に収容されており、電磁コイル１２４と、図示しないステータコアとを有する。ロータ１４０は、ステータ１２０の内側にギャップを介して配置されており、モータケース１１０の両端に設けられた軸受け１６０によって支持されている。ロータ１４０は、ロータ軸１４２と、ロータ軸１４２の外周に設けられた永久磁石１４４と、永久磁石１４４の外周に設けられたスリーブ１５０とを有する。

スリーブ１５０は、繊維強化樹脂材料で形成された円筒状部材である。スリーブ１５０は、ロータ軸１４２が高速に回転する際に、永久磁石１４４が破損することを防止する保護部材として機能する。繊維強化樹脂材料としては、例えば炭素繊維強化樹脂材料（ＣＦＲＰ）や、ガラス繊維強化樹脂材料（ＧＦＲＰ）を使用することが可能である。スリーブ１５０の強度を高めるという観点からは、炭素繊維強化樹脂材料を用いることが好ましい。

図２に示すように、スリーブ１５０は、永久磁石１４４に接する内層１５４と、内層１５４よりも外側に設けられた外層１５２とを有する。本実施形態では、スリーブ１５０は内層１５４と外層１５２の２層構造であるが、内層１５４と外層１５２の間に他の層を設けても良い。

スリーブ１５０の外層１５２は、その繊維方向が、ロータ軸１４２の軸方向Ｃと直交する方向に設定されている。ここで、「繊維方向」とは、繊維束が延びる方向を意味する。また、「軸方向Ｃと直交する方向」とは、ロータ軸１４２周りの周方向を意味する。なお、本明細書において、「軸方向Ｃと直交する方向」という用語は、軸方向Ｃと厳密に直交する方向のみを意味している訳ではなく、軸方向Ｃと厳密に直交する方向との成す角度が±５°未満である方向を含む広い意味で使用する。外層１５２の繊維方向がロータ軸１４２の軸方向Ｃと直交する方向に設定されている理由は、遠心力から永久磁石１４４を保護するために適した繊維方向だからである。外層１５２の繊維束の層数は１層でも良いが、大きな強度を得るために２層以上の複数の層に重ね巻きすることが好ましい。なお、１本の繊維束の直径は、例えば５μｍ〜２０μｍなので、これらを多層に重ね巻きしても外層１５２の厚みが過度に大きくなることはない。但し、図２では、図示の便宜上、外層１５２の厚みを実際よりも誇張して大きく描いている。

スリーブ１５０の内層１５４の繊維方向は、ロータ軸１４２の軸方向Ｃと平行な方向に設定されている。この理由は、永久磁石１４４が設けられたロータ軸１４２（以下、「永久磁石付きロータ軸１４６」と呼ぶ）と、スリーブ１５０との組み立てを容易にするためである。この点については以下で詳述する。

図２は、永久磁石付きロータ軸１４６とスリーブ１５０を組み立てる前の状態を示している。室温では、永久磁石付きロータ軸１４６の外径Ｄ１４６は、スリーブ１５０の内径Ｄ１５０よりも大きい。電動モータの１００の通常の運転状態でも同様である。スリーブ１５０の締め代は、室温における両者の直径の差の半分であり、（Ｄ１４６−Ｄ１５０）／２で与えられる。従って、両者を組み立てる際には、焼き嵌めや冷し嵌めが利用される。なお、典型的な繊維強化樹脂材料は熱膨張係数が小さいので、通常は冷し嵌めを利用することが好ましい。冷し嵌めでは、永久磁石付きロータ軸１４６を冷却してその外径Ｄ１４６を小さくした状態で、スリーブ１５０の内部に挿入する。この挿入時には、永久磁石付きロータ軸１４６の外径Ｄ１４６が、スリーブ１５０の内径Ｄ１５０よりも小さくなるように十分に冷却することが好ましい。但し、永久磁石付きロータ軸１４６の外径Ｄ１４６がスリーブ１５０の内径Ｄ１５０よりも大きな状態で、永久磁石付きロータ軸１４６をスリーブ１５０に圧入するようにしてもよい。永久磁石付きロータ軸１４６をスリーブ１５０に挿入した後は、永久磁石付きロータ軸１４６が室温になると、永久磁石付きロータ軸１４６が熱膨張してその外径Ｄ１４６がスリーブ１５０の内径Ｄ１５０よりも大きくなる。この結果、永久磁石付きロータ軸１４６が、スリーブ１５０から圧縮力を受けた状態で固定される。

本実施形態では、スリーブ１５０の外層１５２の内側に、ロータ軸１４２の軸方向Ｃと平行な繊維方向を有する内層１５４が設けられているので、永久磁石付きロータ軸１４６とスリーブ１５０とを組み立てる作業が容易である。すなわち、内層１５４を設けない場合には、外層１５２の繊維方向がロータ軸１４２の軸方向Ｃと直交する方向であるため、スリーブ１５０の締め代を大きく設定すると、組み立て作業の際に永久磁石１４４と繊維とが干渉して、永久磁石１４４の割れや繊維の剥離等の問題が発生する可能性がある。一方、本実施形態のように内層１５４を設けると、その繊維方向がロータ軸１４２の軸方向Ｃと平行なので、永久磁石付きロータ軸１４６を挿入又は圧入する際の抵抗が小さくなり、この結果、永久磁石１４４の割れや繊維の剥離等の問題の発生を抑制することが可能である。

スリーブ１５０は、例えば以下のように製造することが可能である。まず、未硬化の樹脂（例えばエポキシ樹脂）を含浸させた炭素繊維などの繊維束を準備する。この繊維束を「未硬化繊維強化樹脂部材」と呼ぶ。また、スリーブ１５０の製造に用いる円筒状のマンドレルを準備する。そして、マンドレルの外面に、未硬化繊維強化樹脂部材をマンドレルの軸方向に沿って配列することによって、未硬化の内層１５４を形成する。その後、未硬化の内層１５４の外側に、未硬化繊維強化樹脂部材を巻き付けることによって未硬化の外層１５２を形成する。その後、未硬化の内層１５４と外層１５２とを有するスリーブ１５０を加熱して樹脂を硬化させる。そして、硬化後にマンドレルを抜き取ることによって、図２に示した構造のスリーブ１５０が得られる。なお、必要に応じて、スリーブ１５０の長さや外径を調整するための加工を施しても良い。

このように、第１実施形態では、永久磁石１４４の外周に、繊維強化樹脂材料で形成されたスリーブ１５０を設けたので、ロータ１４０の回転時に永久磁石１４４を遠心力から保護することが可能である。また、スリーブ１５０の外層１５２の繊維方向を、ロータ軸１４２の軸方向Ｃに直交する方向としたので、永久磁石１４４を遠心力から保護するためのスリーブ１５０の強度を高めることができる。更に、外層１５２の内側に、繊維方向がロータ軸１４２の軸方向Ｃに平行な内層１５４を設けたので、永久磁石付きロータ軸１４６をスリーブ１５０に挿入又は圧入する際の抵抗が小さくなる。この結果、永久磁石１４４の割れや繊維の剥離等の問題の発生を抑制することが可能である。

なお、第１実施形態では、スリーブ１５０の内層１５４の繊維方向がロータ軸１４２の軸方向Ｃと平行であり、また、外層１５２の繊維方向が軸方向Ｃと直交する方向としていたが、内層１５４と外層１５２の繊維方向としては、これら以外の他の方向を採用することも可能である。例えば、外層１５２を交差巻きで形成することによって、その繊維方向を、ロータ軸１４２の軸方向Ｃと交差する２つの方向に向けるようにしてもよい。また、内層１５４の繊維方向として、例えば、ロータ軸１４２の軸方向Ｃに平行な方向と繊維方向との成す角度が５°以上４５°以下になるような方向を採用してもよい。このような種々の繊維方向を採用する場合にも、内層１５４の繊維方向が、外層１５２の繊維方向よりもロータ軸１４２の軸方向Ｃに近い方向に設定されていることが好ましい。ここで、「軸方向Ｃに近い方向」とは、軸方向Ｃに平行な方向との成す角度がより小さい方向を意味する。この際、軸方向Ｃに平行な方向と繊維方向との成す角度としては、軸方向Ｃに平行な直線と繊維方向の接線との交差で作られる２つの角度のうちの小さな方の値を使用する。内層１５４の繊維方向を外層１５２の繊維方向よりもロータ軸１４２の軸方向Ｃに近い方向に設定すれば、内層１５４が無い場合に比べてスリーブ１５０の内部に永久磁石付きロータ軸１４６を挿入又は圧入し易くなるので、大きな締め代を設けても、永久磁石の割れや繊維の剥離等の問題の発生を抑制することができる。但し、内層１５４の繊維方向としては、ロータ軸１４２の軸方向Ｃと平行な方向が最も好ましい。また、外層１５２の繊維方向としては、ロータ軸１４２の軸方向Ｃと直交する方向が最も好ましい。

Ｂ．第２実施形態：
図３に示すように、第２実施形態の電動モータ１００ａは、ロータ１４０ａのスリーブ１５０ａの構造が第１実施形態のロータ１４０と異なり、他の構造は第１実施形態と同じである。なお、第１実施形態と同じ符号は、同一の構成を示すものであって、先行する説明を参照する。

図４に示すように、第２実施形態のスリーブ１５０ａは、その一端に、外側に向けて広がるテーパ部１５６を有する。なお、スリーブ１５０ａの直円筒状の部分を「ストレート部１５８」と呼ぶ。テーパ部１５６とストレート部１５８は、それぞれ外層１５２ａと内層１５４ａとを有する。テーパ部１５６とストレート部１５８の内層１５４ａは、テーパ部１５６とストレート部１５８にわたって連続する同一の繊維束で形成されている。テーパ部１５６は、永久磁石付きロータ軸１４６をスリーブ１５０ａに挿入又は圧入するときの入口として利用される。このような構成を採用すれば、スリーブ１５０ａの内部に永久磁石付きロータ軸１４６を更に挿入又は圧入し易くなるので、永久磁石の割れや繊維の剥離等の問題の発生を更に抑制することができる。特に、本実施形態では、テーパ部１５６の内層１５４ａとストレート部１５８の内層１５４ａが連続した同一の繊維束で形成されているので、スリーブ１５０ａの内部に永久磁石付きロータ軸１４６を更に挿入又は圧入し易くなり、また、より大きな締め代を確保することができる。

前述した図３に示すように、電動モータ１００ａを組み立てた状態において、テーパ部１５６が永久磁石１４４と電磁コイル１２４との間のギャップよりも外側に配置されるようにスリーブ１５０ａを形成することが好ましい。このようにすれば、テーパ部１５６が電磁コイル１２４と接触して電磁コイル１２４を損傷させる可能性を低減できる。或いは、永久磁石付きロータ軸１４６をスリーブ１５０ａに挿入又は圧入した後に、テーパ部１５６を切除してもよい。この場合には、図１に示した第１実施形態と同じ構造が得られる。なお、第１実施形態で説明した各種の変形例は、第２実施形態にも同様に適用可能である。

本発明は、上述の実施形態や変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１００，１００ａ…電動モータ、１１０…モータケース、１２０…ステータ、１２４…電磁コイル、１４０，１４０ａ…ロータ、１４２…ロータ軸、１４４…永久磁石、１４６…永久磁石付きロータ軸、１５０，１５０ａ…スリーブ、１５２，１５２ａ…外層、１５４，１５４ａ…内層、１５６…テーパ部、１５８…ストレート部、１６０…軸受け

Claims

ステータ（１２０）とロータ（１４０）とを備えた電動モータ（１００，１００ａ）であって、
前記ロータは、
ロータ軸（１４２）と、
前記ロータ軸の外周に設けられた永久磁石（１４４）と、
前記永久磁石の外周に設けられ、繊維強化樹脂材料で形成されたスリーブ（１５０，１５０ａ）と、
を備え、
前記スリーブは、前記永久磁石に接する内層（１５４，１５４ａ）と、前記内層よりも外側に設けられた外層（１５２，１５２ａ）とを有し、
前記内層の繊維方向が、前記外層の繊維方向よりも前記ロータ軸の軸方向に近い方向に設定されている、電動モータ。
請求項１に記載の電動モータにおいて、
前記内層の繊維方向が、前記ロータ軸の軸方向に平行である、電動モータ。
請求項２に記載の電動モータにおいて、
前記外層の繊維方向が、前記ロータ軸の軸方向に直交する方向である、電動モータ。
請求項１〜３のいずれか一項に記載の電動モータ（１００ａ）において、
前記スリーブ（１５０ａ）は、前記スリーブの一端に外側に向けて広がるテーパ部（１５６）を有する、電動モータ。