JP4685661B2 - ロータおよびその製造方法ならびに電動車両 - Google Patents

Description

本発明は、ロータおよびその製造方法ならびに電動車両に関し、特に、放熱特性に優れたロータおよびその製造方法ならびに該ロータを含む電動車両に関する。

特開２００２−３４１８７号公報（特許文献１）においては、ロータコアに設けられた穴部と該穴部に埋設された永久磁石との間に樹脂部材を充填することにより永久磁石をロータコアに固定したロータが開示されている。

また、特開２００１−１５７３９４号公報（特許文献２）においても、上記と同様に、永久磁石を樹脂部材によってロータコアに固定したロータが開示されている。

また、特開２０００−１４０６２号公報（特許文献３）においても、円筒状のカバーと永久磁石との間に樹脂材料が充填されたロータが開示されている。

また、特開２００５−９４８４５号公報（特許文献４）においては、樹脂でコーティングされた棒状の永久磁石を軸方向に複数並べてロータコアに埋設したロータが開示されている。
特開２００２−３４１８７号公報 特開２００１−１５７３９４号公報 特開２０００−１４０６２号公報 特開２００５−９４８４５号公報

ロータの回転時には熱が発生する。ここで、ロータからの放熱が十分に行なわれないと、ロータコアに埋設された磁石の磁力が熱により低下するなどの問題が生じる場合がある。したがって、ロータにおける磁石の放熱特性を向上させることは重要である。しかしながら、特許文献１〜４においては、ロータの放熱特性を十分に向上させる構成は開示されていない。

本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、磁石の放熱特性に優れたロータおよびその製造方法ならびに該ロータを含む電動車両を提供することにある。

本発明に係るロータは、回転シャフトに固設され、穴部を有するロータコアと、穴部に挿入される磁石と、穴部内に注入された充填部と、ロータコアの軸方向の両端部に設けられるエンドプレートとを備え、エンドプレートは、ロータコアの一方の軸方向端部に設けられ、回転シャフトに固定される第１のエンドプレートと、ロータコアの他方の軸方向端部に設けられ、第１のエンドプレートよりも弱い強度で回転シャフトに固定される第２のエンドプレートとを含み、磁石と第１のエンドプレートとは接触し、磁石と第２のエンドプレートとは充填部を介装する。

なお、本発明に係るロータおよびその製造方法において、「充填部」とは、接着ではなく主として穴部内に充填されることにより磁石をロータコアに固定することを意図する部分を意味する。また、本発明に係るロータにおいて、「ロータコアの軸方向端部において磁石とエンドプレートとが接触する」とは、磁石とエンドプレートとが完全に接触する場合だけでなく、磁石とエンドプレートとの間に熱伝達を損なわない程度の充填部の薄膜が介在している場合も含む。

上記構成によれば、磁石にエンドプレートを接触させることで、磁石からの放熱性を向上させることができる。

上記ロータにおいて、好ましくは、磁石とエンドプレートとは、磁石の抜け方向の上流側に位置するロータコアの軸方向端部において接触し、磁石の抜け方向の下流側に位置するロータコアの軸方向端部において充填部を介装する。

ここで、「抜け方向」とは、磁石が抜けやすい方向を意味する。磁石が抜けやすい方向は、エンドプレートの固定強度に起因する方向（たとえば、エンドプレートがより強固に固定されている側に位置するロータコアの軸方向端部から該ロータコアの反対側の軸方向端部に向かう方向）と、回転電機の搭載方向に起因する方向（たとえば、車両の正面衝突、オフセット衝突などを考慮した場合の磁石の抜けやすい方向）と、回転電機の搭載位置の近傍に配置された機器との関係に起因する方向（たとえば、衝突の際に移動する機器が衝突してくる方向を考慮した場合の磁石の抜けやすい方向）とを含む。なお、エンドプレートの固定強度の強弱は、エンドプレートの固定方法に起因して生じる場合と、磁石および充填部の設置の前後に分けてエンドプレートを固定することに起因して生じる場合とがある。

上記構成によれば、磁石がロータコアから抜けることをより効果的に抑制しながら、磁石からの放熱性を向上させることができる。

上記ロータにおいて、好ましくは、充填部は上記穴部の開口から該穴部内に注入される。これにより、充填部注入のための特別な穴を設ける必要がなくなるため、ロータの小型化を図ることができる。

本発明に係るロータの製造方法は、回転シャフトに第１のエンドプレートを固定する工程と、回転シャフトにロータコアを取り付ける工程と、ロータコアに形成された穴部に、ロータコアよりも短い軸長を有する磁石を挿入する工程と、穴部内の前記磁石の軸方向端面と第１のエンドプレートとを接触させながら穴部に充填材を注入して該穴部内に充填部を形成する工程と、磁石との間に充填部を介装するように第２のエンドプレートを設け、第１のエンドプレートよりも弱い強度で第２のエンドプレートを回転シャフトに固定する工程とを備える。

上記方法によれば、磁石とエンドプレートとを接触させることができる。結果として、磁石の放熱特性が向上する。

本発明に係る電動車両は、上述したロータ、または、上述したロータの製造方法により製造されたロータを備える。

これにより、磁石の放熱特性が高いロータを搭載した電動車両が得られる。

本発明によれば、ロータにおける磁石の放熱特性を向上させることができる。

以下に、本発明に基づくロータおよびその製造方法ならびに電動車両の実施の形態について説明する。なお、同一または相当する部分に同一の参照符号を付し、その説明を繰返さない場合がある。

図１は、本発明の１つの実施の形態に係るロータが適用される駆動ユニットの構成を概略的に示す図である。図１に示される例では、駆動ユニット１は、「電動車両」としてのハイブリッド車両に搭載される駆動ユニットであり、モータジェネレータ１００と、ハウジング２００と、減速機構３００と、ディファレンシャル機構４００とドライブシャフト受け部５００とを含んで構成される。

モータジェネレータ１００は、電動機または発電機としての機能を有する回転電機であり、軸受１１０を介してハウジング２００に回転可能に取付けられた回転軸１２０と、回転軸１２０に取付けられたロータ１３０と、ステータ１４０とを有する。ステータ１４０はステータコア１４１を有し、ステータコア１４１にはコイル１４２が巻回されている。コイル１４２はハウジング２００に設けられた端子台２１０を介して給電ケーブル６００Ａと電気的に接続される。給電ケーブル６００Ａの他端は、ＰＣＵ６００に接続されている。ＰＣＵ６００は、給電ケーブル７００Ａを介してバッテリ７００と電気的に接続される。これにより、バッテリ７００とコイル１４２とが電気的に接続される。

モータジェネレータ１００から出力された動力は、減速機構３００からディファレンシャル機構４００を介してドライブシャフト受け部５００に伝達される。ドライブシャフト受け部５００に伝達された駆動力は、ドライブシャフト（図示せず）を介して車輪（図示せず）に回転力として伝達されて、車両を走行させる。

一方、ハイブリッド車両の回生制動時には、車輪は車体の慣性力により回転させられる。車輪からの回転力によりドライブシャフト受け部５００、ディファレンシャル機構４００および減速機構３００を介してモータジェネレータ１００が駆動される。このとき、モータジェネレータ１００が発電機として作動する。モータジェネレータ１００により発電された電力は、ＰＣＵ６００内のインバータを介してバッテリ７００に蓄えられる。

給電ケーブル６００Ａ，７００Ａは、Ｕ相ケーブルと、Ｖ相ケーブルと、Ｗ相ケーブルとからなる三相ケーブルである。コイル１４２は、Ｕ相コイル、Ｖ相コイルおよびＷ相コイルからなり、これらの３つのコイルの端子が三相ケーブルである給電ケーブル６００Ａ，７００Ａに接続される。

なおモータジェネレータ１００の用途は、ハイブリッド車（ＨＶ：hybrid vehicle）に限定されず、他の「電動車両」（たとえば燃料電池車や電気自動車）に搭載されてもよい。

図２は、ロータ１３０の平面図であり、図３は、ロータ１３０の縦断面図である。図２，図３を参照して、ロータ１３０は、回転軸１２０に固設され、穴部１３１Ａを有するロータコア１３１と、穴部１３１Ａに挿入されてロータコア１３１に埋設される磁石１３２と、穴部１３１Ａの側面と磁石１３２との間に充填された樹脂部１３３と、ロータコア１３１の軸方向端面上に設けられるエンドプレート１３４，１３５とを備える。

「モールド樹脂部」としての樹脂部１３３は、たとえばエポキシ系樹脂を含んで構成される。樹脂部１３３が設けられることにより、磁石１３２がロータコア１３１に固定される。樹脂部１３３は、接着ではなく主として穴部１３１Ａ内に充填されることにより磁石１３２をロータコア１３１に固定する。したがって、穴部１３１Ａ内の空間に対する樹脂部１３３の充填率は、同様のロータコアにおける磁石の固着材として接着剤を用いた場合の該接着剤の充填率よりも高い。このようにすることで、穴部１３１Ａ内で磁石１３２を精度よく固定することができる。なお、樹脂部１３３は、樹脂注入のための特別の穴を設けることなく、穴部１３１Ａの開口から穴部１３１Ａ内に流し込まれる。このようにすることで、ロータ１３０の小型化を図ることができる。

金属製のエンドプレート１３４，１３５は、回転軸１２０に固定されてロータコア１３１を軸方向に挟持する。ここで、エンドプレート１３４は、たとえばカシメにより回転軸１２０に固定され、エンドプレート１３５は、たとえば溶接により回転軸１２０に固定されている。換言すると、エンドプレート１３５（第１のエンドプレート）は、エンドプレート１３４（第２のエンドプレート）よりも強固に回転軸１２０に固定されている。

ロータ１３０は、回転時に発熱するが、ロータ１３０からの放熱が十分でないと、磁石１３２の磁力が熱により低下するなどの問題が生じる場合がある。したがって、磁石１３２の放熱特性を向上させることが望まれる。

これに対し、本実施の形態においては、図３中のＡ部において、磁石１３２とエンドプレート１３５とを接触させている。これにより、磁石１３２からエンドプレート１３５への熱伝達が促進され、エンドプレート１３５が放熱板として機能する。この結果、磁石１３２の放熱特性が向上し、モータジェネレータ１００の駆動時に磁石１３２の磁力が低下するなどの問題が生じることを抑制することができる。

ところで、車両衝突などによりロータ１３０に衝撃荷重が加えられた際に、磁石１３２の固定強度が十分でないと、磁石１３２がロータコア１３１から抜け出てしまうことが懸念される。ロータ１３０においては、上述したように、エンドプレート１３５は、エンドプレート１３４よりも強固に回転軸１２０に固定されている。したがって、ロータ１３０に衝撃荷重が加えられた際、磁石１３２は矢印ＤＲ１方向に抜け出しやすい。本願明細書では、図４における矢印ＤＲ１方向を「抜け方向」と称する。ロータ１３０の信頼性向上の観点からは、磁石１３２の抜け方向（矢印ＤＲ１方向）への抜け防止対策を講じることが望まれる。

これに対し、本実施の形態においては、エンドプレート１３４側において、磁石１３２の端面１３２０を樹脂部１３３によりカバーしている。これにより、矢印ＤＲ１方向への磁石１３２の抜け出しを抑制することができるので、衝撃荷重に対するロータ１３０の信頼性を向上させることができる。

次に、上述したロータ１３０の製造方法について説明する。図４は、ロータ１３０の製造方法を説明するフロー図である。図４を参照して、ステップ１０（以下、Ｓ１０のように略す。）において、回転軸１２０にエンドプレート１３５が強固に固定され、該回転軸１２０にロータコア１３１が取付けられた状態で、エンドプレート１３５の反対側の開口から穴部１３１Ａに磁石１３２が挿入される。ここで、磁石１３２としては、ロータコア１３１の軸長よりも短い長さのものが用いられる。次に、Ｓ２０において、穴部１３１Ａ内の磁石１３２をロータコア１３１の一方の軸方向端部側（エンドプレート１３５側）に偏在させながら穴部１３１Ａに樹脂を注入する。これにより、穴部１３１Ａ内に樹脂部１３３が形成される。そして、Ｓ３０において、ロータコア１３１の軸方向端面上にエンドプレート１３４が設けられる。ここで、エンドプレート１３４は、カシメなどの簡易な方法により固定される。これにより、製造方法の簡素化、迅速化を図ることができる。以上の工程により、図２，図３に示されるロータ１３０が得られる。なお、Ｓ１０において、エンドプレート１３５に代えて穴部１３１Ａを塞ぐような治具が用いられてもよい。この場合は、樹脂注入後に治具が取り外され、ロータコア１３１にエンドプレート１３４，１３５が組み付けられる。

なお、上記の例では、磁石１３２がエンドプレート１３５と接触している例について説明したが、磁石１３２はエンドプレート１３４と接触していてもよい。また、磁石１３２は、エンドプレート１３４，１３５の一方のみと接触していてもよいし、両方と接触していてもよい。また、ここでいう「接触」とは、磁石１３２とエンドプレート１３４，１３５とが隙間無く完全に接触する場合だけでなく、磁石１３２とエンドプレート１３４，１３５との間に熱伝達を損なわない程度の樹脂部１３３の薄膜が介在している場合も含む。

図５は、本実施の形態に係るロータの変形例を示した断面図である。図５を参照して、磁石１３２は、複数の磁石１３２Ａ，１３２Ｂに分割されてもよい。ここでは、上述したＳ２０の樹脂注入工程において、穴部１３１Ａの底面を構成するエンドプレート１３５（または治具）で樹脂が反射することで形成された流れにより上側に位置する磁石１３２Ｂが持ち上げられ、磁石１３２Ａ，１３２Ｂ間に樹脂が流入する。一方、下側に位置する磁石１３２Ａは、上記流れによっては持ち上げられない。したがって、磁石１３２Ａの下面側には、樹脂は殆ど流入しない。なお、樹脂注入時に穴部１３１Ａの底面となるエンドプレート１３５（または治具）には、穴部１３１Ａ内の空気を排出可能なエア抜き孔が設けられている。

上記のように、磁石１３２Ａ，１３２Ｂをロータコア１３１内に挿入した後に樹脂部１３３が注入される際、磁石１３２Ａ，１３２Ｂ間への樹脂部１３３の流入は促進されるが、磁石１３２Ａとエンドプレート１３５（または治具）との間への樹脂部１３３の流入は抑制される。この結果、磁石１３２Ａとエンドプレート１３５との接触状態を保つことができる。

図６，図７は、それぞれ、穴部１３１Ａ内に充填される充填材として樹脂，接着剤を用いた場合の充填率を説明する図である。充填材として樹脂を用いた場合は、図６に示すように、穴部１３１Ａ内の隙間にほぼ漏れなく樹脂部１３３が形成される。一方、充填材として接着剤１３３Ａを用いた場合は、接着剤の充填率は粘度に大きく左右され、該粘度は生産環境などに大きく左右されるため、図７に示すように、接着剤１３３Ａは穴部１３１Ａ内の隙間に必ずしも十分に充填されず、充填率が不十分になる場合がある。したがって、ロータ回転時の遠心力により、ロータコア１３１に局所的に高い応力が発生する場合がある。また、接着剤の充填率によっては、衝撃荷重に対する抜け防止効果を十分に期待できない場合があるので、抜け方向に衝撃荷重が作用した時の安全対策として、磁石の飛出し防止構造としてのエンドプレートを設けている。これに対し、本実施の形態に係るロータにおいては、穴部１３１Ａ内の樹脂部１３３の充填率が高く、また、抜け方向の下流側に位置する磁石１３２の端面を樹脂部１３３でカバーしているため、飛出し防止構造としてエンドプレート１３４，１３５のみを設けた場合と比較して、より効果的に磁石１３２の抜けを抑制することができる。

上述した内容について換言すると、以下のようになる。すなわち、本実施の形態に係るロータ１３０は、回転軸１２０に固設され、穴部１３１Ａを有するロータコア１３１と、穴部１３１Ａに挿入される磁石１３２と、穴部１３１Ａ内に注入された「充填部」としての樹脂部１３３と、ロータコア１３１の軸方向の両端部に設けられるエンドプレート１３４，１３５とを備え、磁石１３２とエンドプレート１３５とが接触している。一方、エンドプレート１３５の反対側に位置するロータコア１３１の軸方向端部においては、磁石１３２とエンドプレート１３４との間に樹脂部１３３が介在している。すなわち、ロータ１３０においては、磁石１３２の抜け方向（矢印ＤＲ１方向）の上流側に位置するロータコア１３１の軸方向端部においては、磁石１３２とエンドプレート１３５とが接触し、磁石１３２の抜け方向（矢印ＤＲ１方向）の下流側に位置するロータコア１３１の軸方向端部においては、磁石１３２とエンドプレート１３４とが樹脂部１３３を介装している。

また、本実施の形態に係るロータの製造方法は、図４に示すように、ロータコア１３１に形成された穴部１３１Ａに該ロータコア１３１の軸長よりも短い長さの磁石１３２を挿入する工程（Ｓ１０）と、穴部１３１Ａ内の磁石１３２の軸方向端面とロータコア１３１の一方の軸方向端面とを合わせながら穴部１３１Ａに「充填材」としての樹脂を注入して穴部１３１Ａ内に「充填部」としての樹脂部１３３を形成する工程（Ｓ２０）と、ロータコア１３１の軸方向端面上にエンドプレート１３４，１３５を設ける工程（Ｓ３０）とを備える。なお、磁石１３２の固着材として樹脂部１３３を用いることで穴部１３１Ａ内で磁石１３２を精度よく固定することができるので、磁石１３２にエンドプレート１３５を接触させても騒音、振動が過度に増大することが抑制される。

本実施の形態に係るロータによれば、磁石１３２にエンドプレート１３５を接触させることで、磁石１３２からの放熱性を向上させることができる。また、磁石１３２の抜け方向（矢印ＤＲ１方向）の下流側端部において、磁石１３２とエンドプレート１３４との間に樹脂部１３３を介在させることで、樹脂部１３３により磁石１３２の軸方向端面をカバーし、ロータ１３０が衝撃を受けた場合にも、磁石１３２がロータコア１３１から抜けることを抑制することができる。

また、本実施の形態に係るロータの製造方法によれば、磁石１３２とエンドプレート１３５とを接触させることができる。結果として、磁石１３２の放熱特性が向上する。また、磁石１３２の他方の軸方向端面を樹脂部１３３によりカバーすることができるので、ロータ１３０が衝撃を受けた場合にも、磁石１３２がロータコア１３１から抜けることを抑制することができる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の１つの実施の形態に係るロータが適用される駆動ユニットの構成を概略的に示す図である。 本発明の１つの実施の形態に係るロータの平面図である。 図２に示されるロータの縦断面図である。 本発明の１つの実施の形態に係るロータの製造方法を説明するフロー図である。 本発明の１つの実施の形態に係るロータの変形例の縦断面図である。 充填材として樹脂を用いた場合の充填率を説明する図である。 充填材として接着剤を用いた場合の充填率を説明する図である。

符号の説明

１ 駆動ユニット、１００ モータジェネレータ、１１０ 軸受、１２０ 回転軸、１３０ ロータ、１３１ ロータコア、１３１Ａ 穴部、１３２ 磁石、１３３ 樹脂部、１３４，１３５ エンドプレート、１４０ ステータ、１４１ ステータコア、１４２ コイル、２００ ハウジング、２１０ 端子台、３００ 減速機構、４００ ディファレンシャル機構、５００ ドライブシャフト受け部、６００ ＰＣＵ、６００Ａ，７００Ａ 給電ケーブル、７００ バッテリ、１３２０ 端面。

Claims (5)

1. 回転シャフトに固設され、穴部を有するロータコアと、
   前記穴部に挿入される磁石と、
   前記穴部内に注入された充填部と、
   前記ロータコアの軸方向の両端部に設けられるエンドプレートとを備え、
   前記エンドプレートは、前記ロータコアの一方の軸方向端部に設けられ、前記回転シャフトに固定される第１のエンドプレートと、前記ロータコアの他方の軸方向端部に設けられ、前記第１のエンドプレートよりも弱い強度で前記回転シャフトに固定される第２のエンドプレートとを含み、
   前記磁石と前記第１のエンドプレートとは接触し、
   前記磁石と前記第２のエンドプレートとは前記充填部を介装する、ロータ。
2. 前記磁石と前記エンドプレートとは、前記磁石の抜け方向の上流側に位置する前記ロータコアの軸方向端部において接触し、前記磁石の抜け方向の下流側に位置する前記ロータコアの軸方向端部において前記充填部を介装する、請求項１に記載のロータ。
3. 前記充填部は前記穴部の開口から該穴部内に注入される、請求項１または請求項２に記載のロータ。
4. 回転シャフトに第１のエンドプレートを固定する工程と、
   前記回転シャフトにロータコアを取り付ける工程と、
   前記ロータコアに形成された穴部に、前記ロータコアよりも短い軸長を有する磁石を挿入する工程と、
   前記穴部内の前記磁石の軸方向端面と前記第１のエンドプレートとを接触させながら前記穴部に充填材を注入して該穴部内に充填部を形成する工程と、
   前記磁石との間に前記充填部を介装するように第２のエンドプレートを設け、前記第１のエンドプレートよりも弱い強度で前記第２のエンドプレートを前記回転シャフトに固定する工程とを備えた、ロータの製造方法。
5. 請求項１から請求項３のいずれかに記載のロータ、または、請求項４に記載のロータの製造方法により製造されたロータを備えた、電動車両。

Images