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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-11-08
(45)【発行日】2022-11-16
(54)【発明の名称】ロータの製造方法
(51)【国際特許分類】
   H02K 15/03 20060101AFI20221109BHJP
   H02K 1/278 20220101ALI20221109BHJP
   B29C 70/32 20060101ALI20221109BHJP
【FI】
H02K15/03 Z
H02K1/278
B29C70/32
【請求項の数】 5
(21)【出願番号】P 2019095968
(22)【出願日】2019-05-22
(65)【公開番号】P2020191734
(43)【公開日】2020-11-26
【審査請求日】2021-11-22
(73)【特許権者】
【識別番号】000241500
【氏名又は名称】トヨタ紡織株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100105957
【弁理士】
【氏名又は名称】恩田 誠
(74)【代理人】
【識別番号】100068755
【弁理士】
【氏名又は名称】恩田 博宣
(72)【発明者】
【氏名】梅村 康太
(72)【発明者】
【氏名】平岡 大輔
【審査官】島倉 理
(56)【参考文献】
【文献】特開2019-30060(JP,A)
【文献】特開2019-50693(JP,A)
【文献】特開2016-116267(JP,A)
【文献】特開平8-107641(JP,A)
【文献】特開2012-182907(JP,A)
【文献】特開昭61-1246(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
H02K 15/03
H02K 1/27
B29C 70/32
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
ロータ本体と、前記ロータ本体の外周面に設けられる複数の永久磁石と、炭素繊維を有する繊維束及び前記繊維束に含浸された熱硬化性の樹脂を含み、前記複数の永久磁石の外周に巻き付けられることで前記複数の永久磁石を保持する保持部材と、を備えるロータの製造方法であって、
前記複数の永久磁石が設けられた前記ロータ本体を、前記ロータ本体の軸線を中心に回転させるとともに前記ロータ本体の軸線方向に沿って移動させることで、前記繊維束を前記複数の永久磁石の外周に巻き付ける巻き付け工程と、
前記複数の永久磁石の外周における前記繊維束が巻き付けられる予定の巻き付け予定部に対して塗布装置により液状の前記樹脂を上方から連続的に塗布する塗布工程と、を備える、
ロータの製造方法。
【請求項2】
前記塗布装置として、液状の前記樹脂を貯留するシリンダと、前記シリンダの下部に設けられ、前記樹脂を吐出する吐出口と、可撓性の刷毛を有し、前記吐出口から突出するとともに前記巻き付け予定部の表面に接触することで前記樹脂を塗布する塗布具と、を備えるものを用いる、
請求項1に記載のロータの製造方法。
【請求項3】
前記シリンダ内に設けられたピストン部材を前記吐出口に向けて単位時間当たり一定の変位量にて降下させる、
請求項2に記載のロータの製造方法。
【請求項4】
前記塗布工程に先立ち、前記シリンダ内に貯留されている液状の前記樹脂を当該樹脂の熱硬化温度よりも低い所定の温度まで加熱する加熱工程を備える、
請求項2または請求項3に記載のロータの製造方法。
【請求項5】
前記巻き付け工程において、前記複数の永久磁石が設けられた前記ロータ本体を前記軸線方向に沿って往復動させることで、前記複数の永久磁石の外周に前記繊維束の層を複数積層し、
少なくとも1つの前記層が形成される毎に、前記塗布具が前記巻き付け予定部に接触する状態を維持しつつ前記塗布具を上昇させる上昇工程を備える、
請求項2~請求項4のいずれか一項に記載のロータの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、ロータの製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、ロータコアの外周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、遠心力による永久磁石のロータコアからの脱落を防ぐために、永久磁石の外周を覆う筒状の保持部材が設けられている。
【0003】
こうした保持部材は、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に巻き付ける。そして、熱硬化性樹脂を熱硬化させることにより保持部材を形成する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】特開2017-195695号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
ところで、モータの出力を増大させるべく、ロータの回転数を増加させたり、永久磁石を大きくしたりすると、永久磁石に作用する遠心力が増大するため、保持部材の強度を高める必要が生じる。しかしながら、上述したように炭素繊維により形成された保持部材は、保持部材の周方向においては炭素繊維の延在方向と一致することから、優れた引張強度を有する。一方、保持部材の径方向においては、周方向、すなわち炭素繊維の延在方向に比べて、引張強度が劣るといった問題がある。
【0006】
本発明の目的は、保持部材の径方向における引張強度を向上させることができるロータの製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0007】
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面に設けられる複数の永久磁石と、炭素繊維を有する繊維束及び前記繊維束に含浸された熱硬化性の樹脂を含み、前記複数の永久磁石の外周に巻き付けられることで前記複数の永久磁石を保持する保持部材と、を備えるロータの製造方法であって、前記複数の永久磁石が設けられた前記ロータ本体を、前記ロータ本体の軸線を中心に回転させるとともに前記ロータ本体の軸線方向に沿って移動させることで、前記繊維束を前記複数の永久磁石の外周に巻き付ける巻き付け工程と、前記複数の永久磁石の外周における前記繊維束が巻き付けられる予定の巻き付け予定部に対して塗布装置により液状の前記樹脂を上方から連続的に塗布する塗布工程と、を備える。
【0008】
同方法によれば、塗布工程において、複数の永久磁石の外周における巻き付け予定部に対して塗布装置により液状の樹脂が上方から連続的に塗布される。これにより、巻き付け予定部に塗布される樹脂量を緻密に制御することができるため、繊維束に含浸される樹脂量が繊維束の位置によってばらつくことを抑制できる。これにより、樹脂が巻き付け予定部に必要以上に塗布されることを抑制できることから、保持部材における炭素繊維の含有率を高めることができる。
【0009】
また、繊維束に含浸される樹脂量が繊維束の位置によってばらつくことを抑制できることから、熱硬化した樹脂にひずみや変形が生じることを抑制できる。このため、保持部材の強度や耐久性が低下することを抑制できる。
【0010】
したがって、保持部材の径方向における引張強度を向上させることができる。
【発明の効果】
【0011】
本発明によれば、保持部材の径方向における引張強度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【0012】
図1】ロータの製造方法の一実施形態について、ロータの構成を示す断面図。
図2】同実施形態のロータの製造装置の構成を示す概略図。
図3】同実施形態の巻き付け装置及び塗布装置を示す斜視図。
図4図3の4-4線に沿った断面図。
図5】同実施形態の繊維束が巻き付けられている状態のシャフトを示す平面図。
【発明を実施するための形態】
【0013】
以下、図1図5を参照して、ロータの製造方法の一実施形態について説明する。
まず、図1を参照して、本実施形態のロータの製造方法が適用されるロータ10について説明する。
【0014】
図1に示すように、ロータ10は、回転軸としての円柱状のシャフト20と、シャフト20の外周面に設けられた複数(本実施形態では12個)の永久磁石30と、各永久磁石30の外周に設けられ、各永久磁石30の外周を保持する円筒状の保持部材40とを備えている。なお、シャフト20は、ロータ本体の一例である。
【0015】
図3に示すように、シャフト20は、各永久磁石30が配置される本体部21と、本体部21の軸線Cに沿う軸線方向(以下、単に軸線方向と称する)の両端に形成され、本体部21よりも拡径された拡径部22とを有している。各拡径部22は、ロータ10を回転可能に支持するための軸受(図示略)が設けられる部分である。なお、図3及び図5では、各永久磁石30同士の境界の図示を省略している。
【0016】
図1に示すように、各永久磁石30は、シャフト20の軸線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の外周に配置されることで、全体として略円筒状をなしている。
【0017】
保持部材40は、繊維束50を各永久磁石30の外周に巻き付けるとともに熱硬化性の樹脂60を含浸させ、当該樹脂60を熱硬化することにより形成されている。繊維束50は、数千~数万本の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ている。本実施形態の熱硬化性の樹脂60は、エポキシ樹脂である。
【0018】
次に、本実施形態のロータの製造方法に用いられるロータ10の製造装置(以下、製造装置100)について説明する。
図2及び図3に示すように、製造装置100は、繊維束50が巻き付けられたボビン110と、ボビン110から引き出された繊維束50を各永久磁石30の外周に巻き付ける巻き付け装置120と、各永久磁石30の外周に上方から樹脂60を塗布する塗布装置130とを備えている。ボビン110と巻き付け装置120との間には、繊維束50の張力を測定する張力測定装置180が設けられている。
【0019】
以下、製造装置100の各構成について詳細に説明する。
<ボビン110>
図2に示すように、ボビン110は、例えば、パウダーブレーキなどのブレーキ装置(図示略)に接続されており、繊維束50が所定の張力以上で引き出された場合に回転するように構成されている。本実施形態において、繊維束50が引き出される際のボビン110の回転方向は、図2における時計回りの方向である。したがって、繊維束50は、ボビン110の上方から引き出される。
【0020】
<巻き付け装置120>
図3に示すように、巻き付け装置120は、各永久磁石30が設けられたシャフト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を各永久磁石30の外周に巻き付けるためのものである。
【0021】
巻き付け装置120は、シャフト20が配置されるとともに、アクチュエータ(図示略)によりシャフト20の軸線方向に沿って往復動可能に設けられた駆動テーブル121と、駆動テーブル121の上面に固定され、シャフト20を回転駆動させるモータ122とを備えている。
【0022】
駆動テーブル121の上面には、軸線方向に互いに間隔をおいて設けられ、シャフト20の各拡径部22を回転可能に支持する一対の支持部123が設けられている。
シャフト20の軸線方向の一方側における拡径部22は、上述したように支持部123により回転可能に支持されるとともに、カップリング124を介してモータ122の出力軸に連結されている。したがって、モータ122が回転することにより、シャフト20が回転する。なおシャフト20の回転方向は、図2における反時計回りの方向である。したがって、繊維束50は、シャフト20の下方から巻き付けられる。
【0023】
<塗布装置130>
図4に示すように、塗布装置130は、液状の、すなわち熱硬化される前の樹脂60が貯留されるシリンダ131と、シリンダ131の下部に連結されたノズル132とを備えている。
【0024】
シリンダ131の下部は、その他の部分よりも縮径されている。シリンダ131は、例えば、ポリプロピレンなどの樹脂材料により形成されている。
ノズル132は、樹脂60を吐出する断面円形状の吐出口133を有している。ノズル132は、例えばステンレス鋼などの金属材料により形成されている。
【0025】
吐出口133からは、樹脂60を塗布する塗布具134が突出している。塗布具134は、例えば、ポリエステルなどの樹脂材料からなり、可撓性を有する刷毛により構成されている。塗布具134は、吐出口133の全周にわたって設けられているため、全体として略円柱状または略円筒状をなしている。塗布具134の直径は、繊維束50の幅と略同一である。
【0026】
図3及び図4に示すように、巻き付け装置120を挟んでボビン110とは反対側には、塗布装置130をシャフト20の上方に配置するベース部140が配置されている。ベース部140には、塗布装置130のシリンダ131を保持する板状の保持部141が設けられている。保持部141は、シャフト20の上方に位置している。保持部141には、上下方向に貫通した挿通孔142が形成されている。挿通孔142にシリンダ131が挿通されることで、塗布装置130がシャフト20の上方において保持される。なお、塗布装置130は、塗布具134の先端が各永久磁石30の外周面に接触する位置にて保持されている。
【0027】
塗布装置130は、シリンダ131内において上下方向に沿って往復動可能に設けられたピストン部材150を備えている。
図4に示すように、ピストン部材150は、円盤状のピストンヘッド151と、ピストンヘッド151の上面に設けられた円柱状のピストンロッド152とを有している。
【0028】
ピストンヘッド151は、樹脂材料により形成されている。なお、ピストンヘッド151の外周面には、環状のシール部材(図示略)が設けられている。
ピストンロッド152のピストンヘッド151とは反対側の端部には、外周に向けて突出したフランジ部153が全周にわたって設けられている。
【0029】
ベース部140には、ピストン部材150を保持するとともに上下方向に変位させる変位ブロック160が設けられている。変位ブロック160は、ベース部140に設けられたアクチュエータ(図示略)により上下方向に往復動可能に設けられている。これにより、ピストン部材150がシリンダ131内を往復動する。
【0030】
変位ブロック160には、ピストンロッド152のフランジ部153を含む上端部が収容される収容部161が形成されている。収容部161は、変位ブロック160の側部が切り欠かれることにより形成されている(図3参照)。
【0031】
収容部161は、フランジ部153が嵌め込まれる座部162を有している。座部162の深さは、フランジ部153の厚みと略同一である。したがって、フランジ部153が座部162に嵌め込まれた状態において、フランジ部153の上面と、変位ブロック160の上面とは面一となる。
【0032】
変位ブロック160の上面には、収容部161を上方から閉塞することで、変位ブロック160に対するピストン部材150の上方への移動を規制する板状の規制部163が設けられている。規制部163には、変位ブロック160の上面に設けられた回転軸(図示略)が挿通されている。これにより、規制部163は、座部162の上方を閉塞及び開放するように回転可能に設けられている。
【0033】
塗布装置130のシリンダ131の外周面には、シリンダ131内の樹脂60を加熱する加熱装置170が設けられている。本実施形態の加熱装置170は、例えば、シリコンゴムシート内に発熱線が埋め込まれたラバーヒータである。
【0034】
<張力測定装置180>
図2に示すように、張力測定装置180は、ボビン110から引き出された繊維束50を上方に持ち上げる第1ローラ181と、繊維束50の延在方向において第1ローラ181の両側に配置された一対の第2ローラ182とを備えている。
【0035】
第1ローラ181には、ロードセル(図示略)が接続されている。これにより、繊維束50の張力が測定されている。なお、本実施形態では、張力測定装置180による測定結果、すなわち、繊維束50の張力の値がボビン110に連結された上記ブレーキ装置にフィードバックされている、これにより、繊維束50の張力が一定となるように上記ブレーキ装置が制御されている。
【0036】
次に、ロータ10の製造方法について説明する。
まず、各永久磁石30が設けられたシャフト20を巻き付け装置120の駆動テーブル121に配置する。
【0037】
次に、ボビン110から繊維束50を引き出すとともに、当該繊維束50の端部を永久磁石30の外周面に例えば接着剤などにより固定する。
次に、巻き付け装置120のモータ122を回転させるとともに駆動テーブル121を軸線方向に沿って往復動させる、すなわち、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。これにより、繊維束50が各永久磁石30の外周に巻き付けられるとともに、繊維束50の層が複数積層される(巻き付け工程)。なお、本実施形態では、保持部材40の外周面が拡径部22の外周面と略面一となるまで繊維束50の層を積層する。
【0038】
図5に示すように、上記巻き付け工程と同時に、繊維束50が次に巻き付けられる予定の巻き付け予定部P(同図に二点鎖線にて示す)には、塗布装置130により樹脂60が上方から連続的に塗布される(塗布工程)。なお、1層目の層が形成される際の巻き付け予定部Pは、各永久磁石30の表面であるが、2層目以降は、直前の層を構成する繊維束50の表面である。したがって、本実施形態では、各層毎に樹脂60が塗布されている。
【0039】
上記塗布工程において、塗布具134の先端は、巻き付け予定部Pの表面に接触している。ここで、上述したように、塗布具134の直径は、繊維束50の幅と略同一である。このため、樹脂60は、巻き付け予定部Pの幅方向の全体にわたって塗布される。
【0040】
また、上記塗布工程において、変位ブロック160を降下させることにより、シリンダ131内に設けられたピストン部材150を吐出口133に向けて単位時間当たり一定の変位量にて降下させる。これにより、吐出口133から吐出される樹脂量が一定になりやすくなる。
【0041】
ここで、上記塗布工程に先立ち、加熱装置170により、シリンダ131内に貯留されている樹脂60を樹脂60の熱硬化温度よりも低い所定の温度まで加熱する(加熱工程)。これにより、樹脂60の粘度が小さくなることで樹脂60の流動性が高まる。
【0042】
次に、最後の層が形成された状態において、当該最後の層を構成する繊維束50の端部を拡径部22の外周面に複数回巻き付けるとともに、上記端部を当該拡径部22と共にクランプ部材(図示略)により挟持する。なお、拡径部22に巻き付けられた繊維束50には、樹脂60が塗布されない。
【0043】
次に、上記クランプ部材により挟持されたシャフト20を加熱炉(図示略)に収容して、樹脂60を熱硬化させる。
最後に、上記クランプ部材を取り外すとともに、拡径部22における熱硬化されていない繊維束50の端部を除去する。これにより、保持部材40が形成される。
【0044】
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。
塗布工程において、各永久磁石30の外周における巻き付け予定部Pに対して塗布装置130により樹脂60が上方から連続的に塗布される。これにより、巻き付け予定部Pに塗布される樹脂量を緻密に制御することができるため、繊維束50に含浸される樹脂量が繊維束50の位置によってばらつくことを抑制できる。これにより、樹脂60が巻き付け予定部Pに必要以上に塗布されることを抑制できることから、保持部材40における繊維束50の含有率を高めることができる。
【0045】
また、繊維束50に含浸される樹脂量が繊維束50の位置によってばらつくことを抑制できることから、熱硬化した樹脂60にひずみや変形が生じることを抑制できる。このため、保持部材40の強度や耐久性が低下することを抑制できる。
【0046】
本実施形態の効果について説明する。
(1)巻き付け工程において、複数の永久磁石30が設けられたシャフト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移動させることで、繊維束50を各永久磁石30の外周に巻き付けるようにした。塗布工程において、各永久磁石30の外周における繊維束50が巻き付けられる予定の巻き付け予定部Pに対して塗布装置130により液状の樹脂60を上方から連続的に塗布するようにした。
【0047】
こうした方法によれば、上記作用を奏することから、保持部材40の径方向における引張強度を向上させることができる。
(2)樹脂60を貯留するシリンダ131と、シリンダ131の下部に設けられ、樹脂60を吐出する吐出口133と、可撓性の刷毛を有し、吐出口133から突出するとともに巻き付け予定部Pの表面に接触することで樹脂60を塗布する塗布具134とを備える塗布装置130を用いるようにした。
【0048】
こうした方法によれば、塗布工程において、シリンダ131に貯留されている液状の樹脂60が自重により吐出口133を通じて巻き付け予定部Pに向けて吐出される。このとき、吐出口133から吐出される樹脂60は、表面張力により可撓性の刷毛を有する塗布具134に向けて流動することで、塗布具134の全体に分布する。このため、塗布具134を巻き付け予定部Pの表面に接触させることで、巻き付け予定部Pに対して連続的に塗布される樹脂量が繊維束50の位置によってばらつくことを一層抑制できる。
【0049】
(3)シリンダ131内に設けられたピストン部材150を吐出口133に向けて単位時間当たり一定の変位量にて降下させるようにした。
こうした方法によれば、シリンダ131内に貯留されている樹脂量によらず、吐出口133から吐出される樹脂量のばらつきを低減できる。
【0050】
(4)加熱工程では、塗布工程に先立ち、シリンダ131内に貯留されている液状の樹脂60を樹脂60の熱硬化温度よりも低い所定の温度まで加熱するようにした。
こうした方法によれば、塗布工程に先立ち、シリンダ131内に貯留されている樹脂60が上記所定の温度まで加熱されることで樹脂60の粘度が小さくなる。このため、吐出口133の断面積を小さくした場合であっても吐出口133を通じて樹脂60を円滑に吐出することができる。これにより、樹脂量を抑えながらも樹脂60を連続的に塗布することができるため、巻き付け予定部Pに塗布される樹脂量をより緻密に制御することができる。したがって、繊維束50を硬化させるために必要な樹脂量を確保しながらも、保持部材40における繊維束50の含有率を高めることができる。
【0051】
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。
・張力測定装置180は、測定結果をブレーキ装置にフィードバックしなくてもよい。
【0052】
・永久磁石30の数は、適宜変更することができる。
・ロータ10の製造方法は、少なくとも1つの層が形成される毎に、塗布具134が巻き付け予定部Pに接触する状態を維持しつつ塗布具134を上昇させる上昇工程を備えるものであってもよい。
【0053】
・上記変更例において、1つの層が形成される毎に当該1つの層の厚み分だけ塗布具134を上昇させるようにしてもよいし、複数の層が形成される毎に当該複数の層の厚み分だけ塗布具134を上昇させるようにしてもよい。なお、塗布具134の上昇量は適宜変更することもできる。
【0054】
・加熱装置170は、シリンダ131内の樹脂60を加熱できるものであればよく、シリンダ131内に配置されるものであってもよい。
・加熱装置170に代えて、シリンダ131を保持する保持部141を加熱するようにしてもよい。
【0055】
・樹脂製のシリンダ131を金属製のシリンダにするとともに、当該シリンダに通電することで樹脂60を加熱するようにしてもよい。
・加熱装置170は、省略することもできる。
【0056】
・ピストン部材150は省略することもできる。この場合、樹脂60を自重により吐出口133から吐出させればよい。
・シリンダ131とノズル132とが一体に構成された塗布装置を採用することもできる。
【0057】
・塗布具134は、可撓性を有する刷毛であることが好ましく、その材料は特に限定されない。塗布具は、例えば、ポリエステルとは異なる樹脂材料からなる刷毛により構成されるものであってもよいし、人毛、獣毛、及び植物などからなる刷毛により構成されるものであってもよい。
【0058】
・吐出口133及び塗布具134の断面形状は、軸線Cに沿って長い扁平形状をなすものであってもよい。
・保持部材40を構成する繊維束50の層の数は、適宜変更することができる。
【0059】
・樹脂60は、熱硬化性の樹脂であれば、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。
・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、ロータコアの外周に複数の永久磁石30が設けられ、各永久磁石30の外周に保持部材40が設けられる。
【符号の説明】
【0060】
10…ロータ、20…シャフト、21…本体部、22…拡径部、30…永久磁石、40…保持部材、50…繊維束、60…樹脂、100…製造装置、110…ボビン、120…巻き付け装置、121…駆動テーブル、122…モータ、123…支持部、124…カップリング、130…塗布装置、131…シリンダ、132…ノズル、133…吐出口、134…塗布具、140…ベース部、141…保持部、142…挿通孔、150…ピストン部材、151…ピストンヘッド、152…ピストンロッド、153…フランジ部、160…変位ブロック、161…収容部、162…座部、163…規制部、170…加熱装置、180…張力測定装置、181…第1ローラ、182…第2ローラ。
図1
図2
図3
図4
図5