WO2021070795A1 - ローター、ローターの設計方法およびローターの製造方法 - Google Patents

Abstract

このローターは、自動車の走行用のモーターに組み込まれる磁石埋め込み式ローターであって、互いに積層された鋼板、および積層方向に隣り合う前記鋼板を接着する接着層を有する積層コアと、前記積層コアに埋め込まれた磁石と、を備え、　前記ローターが１１０００ｒｐｍで回転するときに、前記ローターの径方向へ向けた前記積層コアの外縁の最大変位量が０．１ｍｍ以下である。

Description

ローター、ローターの設計方法およびローターの製造方法

　本発明は、ローター、ローターの設計方法およびローターの製造方法に関する。本願は、２０１９年１０月８日に、日本に出願された特願２０１９－１８５１１０号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

　ローターは、モーターに回転体として用いられるコアである。ローターは、これまで主にかしめ構造により製造されている。しかしながら、近年、電磁鋼板の薄手化、生産効率の向上を目的として、（１）接着構造、（２）かしめと接着の組合せ構造での製造法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

日本国特開２０１４－１９７９８１号公報

　ハイブリッド自動車、電気自動車の出現により、モーターのローターは１４０００ｒｐｍ以上の高回転が求められている。自動車に用いられるモーターはＩＰＭモーターが主流である。ＩＰＭモーターでは、ローターに磁石が埋め込まれている。モーター効率の観点から、最外周により近い位置への磁石の設置が求められている。そのため、磁石の外側のブリッジと呼ばれる鋼板幅の狭い箇所へ応力が集中し、ブリッジが膨張しようとしてローターが変形する。ローターの変形は、すなわちステーターとの狭隘なる隙間を保持することが不可能となることを意味し、モーターの破損に至る。

　本発明は、高速回転時における破損が抑制されたローターを提供することを目的とする。

　前記課題を解決するために、本発明は以下の手段を提案している。
　本発明に係るローターは、自動車の走行用のモーターに組み込まれる磁石埋め込み式ローターであって、互いに積層された鋼板、および積層方向に隣り合う前記鋼板を接着する接着層を有する積層コアと、前記積層コアに埋め込まれた磁石と、を備え、前記ローターが１１０００ｒｐｍで回転するときに、前記ローターの径方向へ向けた前記積層コアの外縁の最大変位量が０．１ｍｍ以下である。

　１１０００ｒｐｍでローターが回転するときに、ローターの径方向へ向けた積層コアの外縁の最大変位量が０．１ｍｍ以下である。したがって、自動車の走行時における最大回転数（例えば、１１０００ｒｐｍを超えるような回転数）でローターが回転したときであっても、ローターの外形の変形を抑え、例えば、ローターがステーターに接触すること等を防止することができる。これにより、モーターの破損を抑制することができる。
　なお、積層コアの外縁の径方向への最大変位量は、例えば、以下の（１）（２）の方法により求められる。
（１）積層コアの外縁において、ローターの周方向に沿った位置ごとに、回転前後における径方向の位置の変化量を求め、その変化量に回転中の弾性変形分を加えた値のうちの最大値を前記最大変位量とする。
（２）積層コアの外縁において、回転前後で最も変位する部分が事前にわかっている場合（例えば、理論上明らかであったり、シミュレーションや経験則により把握されていたりする場合）、その部分について、回転前後における径方向の位置の変化量を求め、その変化量に回転中の弾性変形分を加えた値を前記最大変位量とする。

　前記鋼板の降伏応力ＹＰ_Ｒが、１５０ＭＰａ以上５８０ＭＰａ以下であってもよい。

　前記鋼板の降伏応力をＹＰ_Ｒ（ＭＰａ）とし、前記接着層の降伏応力をＹＰ_Ｂ（ＭＰａ）とし、前記自動車の走行時における最大回転数をω（ｒｐｍ）としたとき、下記（１）式を満たしてもよい。

　ここで、Ａ＝０．１０５、Ｂ＝１７０００、Ｃ＝１７０００、Ｄ＝４１０、Ｅ＝３０

　下記（２）式を更に満たしてもよい。
０．１×ＹＰ_Ｒ≦ＹＰ_Ｂ≦１０×ＹＰ_Ｒ　　・・・　（２）

　前記磁石は、前記積層コアを前記積層方向に貫通する貫通孔内に配置され、前記貫通孔内には、前記磁石の外面と前記貫通孔の内面との間を封止する封止樹脂が設けられていてもよい。

　本発明に係るローターの設計方法は、自動車の走行用のモーターに組み込まれる磁石埋め込み式ローターの設計方法であって、前記ローターは、互いに積層された鋼板、および積層方向に隣り合う前記鋼板を接着する接着層を有する積層コアと、前記積層コアに埋め込まれた磁石と、を備え、前記設計方法では、前記自動車の走行時における最大回転数で前記ローターが回転するときに、前記ローターの径方向へ向けた前記積層コアの外縁の最大変位量が０．１ｍｍ以下となるように、前記鋼板の降伏応力および前記接着層の降伏応力を設定する。

　この設計方法により設計されたローターによれば、自動車の走行時における最大回転数でローターが回転するときに、ローターの径方向へ向けた積層コアの外縁の最大変位量が０．１ｍｍ以下である。よって、自動車の走行時における最大回転数でローターが回転したときであっても、ローターの外形の変形を抑え、例えば、ローターがステーターに接触すること等を防止することができる。これにより、モーターの破損を抑制することができる。

　ところで、これまで接着層については、接着強度（引張、圧縮、せん断、９０度剥離などの状況下での鋼板との密着力）による評価が重用されてきた。このような背景もあり、接着層の降伏応力に基づいて鋼板の変形を規制するという技術的思想は存在していなかった。鋼板の変形を規制するためには、実質的に、高強度の鋼板を使用して対応するしかなかった。その結果、ローターが高コストとなり、ローターの製造が困難になっていた。特に、鋼板として電磁鋼板を採用した場合には、基本的な特性（低鉄損、高磁束密度）に加えて高強度の要求を満たす必要がある。そのため、成分設計が困難になるばかりか、圧延や焼鈍などの各プロセスにおいても製造条件が制約されて製造が困難になる。
　そこでこの設計方法では、自動車の走行時における最大回転数でローターが回転するときに、鋼板の変形が規制されるように、（１）鋼板の降伏応力、（２）接着層の降伏応力を設定する。すなわち、鋼板の降伏応力だけでなく、接着層の降伏応力も考慮する。これにより、鋼板の降伏応力がある程度、低い場合であっても、接着層の降伏応力を高めることで、鋼板の変形を規制することができる。これは、接着層が、鋼板が担っていた変形を抑制する機能を一部担保することで鋼板の変形を抑制できるためである。
　ミーゼス応力・特に厚み方向に発生する力が大きくなり、鋼板の板厚が減少することにより、鋼板は変形する。本発明者らが鋭意検討した結果、鋼板の板厚減少を抑制するためには、降伏応力が高い接着層を用いることが有効であることが分かった。接着層に降伏応力の高いものを用いることで、塑性域における鋼板の変形を抑制できる。これにより、鋼板の最小変形量は弾性域での変形量となり、使用限界となる鋼板の変形の上限を抑制できる。
　通常、鋼板の強度は、高くなれば高くなるほど供給サプライヤーは限定され、コストも高くなる。一方、接着剤の強度はコストと概ね正相関があり、さらに接着剤には強度が高くなればなるほど高い硬化温度を求められる等、製造設備による制約もある。
　この設計方法では、前述のように鋼板の降伏応力だけでなく接着層の降伏応力を考慮することで、コストのみならず地域性、市場性に応じた最適な鋼板および接着剤の組合せを選定することができる。したがって、品質面のみならず製造面での要求を満たすローターを製造することが可能である。つまり、本願発明を用いれば、先述した製造が難しく、供給サプライヤーが限定され、高コストとなる高強度鋼板を用いることなく、かつ、ロータの微細な部分に特殊な鋼板硬化処理や熱処理等の鋼板を強化する工程を増加させることなく、鋼板の変形を抑制できる。

　前記鋼板の降伏応力をＹＰ_Ｒ（ＭＰａ）とし、前記接着層の降伏応力をＹＰ_Ｂ（ＭＰａ）とし、前記最大回転数をω（ｒｐｍ）としたとき、下記（１）式を満たすように前記鋼板の降伏応力ＹＰ_Ｒおよび前記接着層の降伏応力ＹＰ_Ｂを設定してもよい。

　ここで、Ａ＝０．１０５、Ｂ＝１７０００、Ｃ＝１７０００、Ｄ＝４１０、Ｅ＝３０

　下記（２）式を更に満たすように前記鋼板の降伏応力ＹＰ_Ｒおよび前記接着層の降伏応力ＹＰ_Ｂを設定してもよい。
０．１×ＹＰ_Ｒ≦ＹＰ_Ｂ≦１０×ＹＰ_Ｒ　　・・・　（２）

　本発明に係るローターの製造方法は、前記ローターの設計方法を用いる。

　本発明によれば、高速回転時における破損が抑制されたローターを提供することができる。

本発明の一実施形態に係るローターの一部を示す平面図である。 図１に示すＡ－Ａ矢視断面図である。 図１に示すＢ－Ｂ矢視断面図である。 ローターの回転数と積層コアの外縁の変位量との関係を示すグラフである。 ローターの回転数が１４０００ｒｐｍの場合における、鋼板のミーゼス応力分布の解析結果を示す平面図である。 ローターの回転数が１４０００ｒｐｍの場合における、鋼板のミーゼス応力分布の解析結果を示す斜視図である。 ローターの回転数が１５０００ｒｐｍの場合における、鋼板のミーゼス応力分布の解析結果を示す平面図である。 ローターの回転数が１５０００ｒｐｍの場合における、鋼板のミーゼス応力分布の解析結果を示す斜視図である。 ローターの回転数が１６０００ｒｐｍの場合における、鋼板のミーゼス応力分布の解析結果を示す平面図である。 ローターの回転数が１６０００ｒｐｍの場合における、鋼板のミーゼス応力分布の解析結果を示す斜視図である。 積層コアの外縁の変位について説明するための図であって、ローターが回転していない状態における積層コアの外縁を含む断面図である。 積層コアの外縁の変位について説明するための図であって、ローターが高速回転している状態における積層コアの外縁を含む断面図である。 ローターの回転数と接着層に生じる応力の大きさとの関係を示すグラフである。 所定の回転数に耐えうる鋼板の強度と接着層の強度との関係を示すグラフである。

　以下、図１から図１４を参照し、本発明の一実施形態に係るモーター用のローターを説明する。

＜構成＞
　図１から図３に示すように、ローター１０は、自動車（例えば、ハイブリッド自動車や電気自動車）の走行用のモーターに組み込まれる。モーターは、インナーローター型のＩＰＭモーター（埋込磁石３０型モーター）である。ローター１０は、磁石埋め込み式である。なお、モーターの最大回転数は、自動車に求められる性能特性に応じて決定され、最高速度、加速性あるいはモーターの小型化を重要視される場合には、高くなる傾向にある。前記最大回転数は、例えば、１１０００ｒｐｍ以上で、より具体的には１２０００ｒｐｍ以上２００００ｒｐｍ以下である。

　以下では、ローター１０の軸方向（ローター１０の中心軸線Ｏ方向）を軸方向といい、ローター１０の径方向（ローター１０の中心軸線Ｏに直交する方向）を径方向といい、ローター１０の周方向（ローター１０の中心軸線Ｏ周りに周回する方向）を周方向という。

　ローター１０は、積層コア２０と、磁石３０と、封止樹脂４０と、を備えている。
　積層コア２０は、互いに積層された鋼板２１と、積層方向Ｚに隣り合う鋼板２１を接着する接着層２２と、を備えている。なお積層方向Ｚは、軸方向と一致している。また本実施形態では、積層方向Ｚに隣り合う鋼板２１は、接着層２２とは異なる手段（例えばかしめ）などによっては固定されていない。これらの鋼板２１は、接着層２２によってのみ固定されている。

　鋼板２１は、電磁鋼板である。鋼板２１は、例えば、電磁鋼板を打ち抜き加工すること等により形成される。電磁鋼板としては、公知の電磁鋼板を用いることができる。電磁鋼板の化学組成は特に限定されない。本実施形態では、電磁鋼板として、無方向性電磁鋼板を採用している。無方向性電磁鋼板としては、例えば、ＪＩＳＣ２５５２：２０１４の無方向性電鋼帯を採用することができる。

　接着層２２は、積層方向Ｚに隣り合う鋼板２１の間で硬化した接着剤である。接着剤には、例えば重合結合による熱硬化型の接着剤などが用いられる。接着剤の組成物としては、（１）アクリル系樹脂、（２）エポキシ系樹脂、（３）アクリル系樹脂およびエポキシ系樹脂を含んだ組成物などが適用可能である。なお、８０ＭＰａを超過する接着層２２の強度（降伏応力）が必要な場合は、接着剤として、スーパーエンプラ（スーパーエンジニアリングプラスチック）と呼ばれる樹脂を使用しても良い。

　接着層２２は、鋼板２１のうち、少なくともブリッジ２３を含む部分を接着している。ブリッジ２３は、鋼板２１のうち磁石３０よりも径方向の外側に位置する部分である。図示の例では、接着層２２は、積層方向Ｚに隣り合う鋼板２１を全面にわたって接着している。なお、接着層２２の厚みが１μｍ未満の場合、接着不良となり、１０μｍ超の場合、モーター効率を低下させるため、接着層２２の厚みは１～１０μｍであることが好ましい。

　磁石３０は、永久磁石である。磁石３０は、積層コア２０に埋め込まれている。本実施形態では、２つ１組の磁石３０が１つの磁極を形成している。複数組の磁石３０は、周方向に同等の間隔をあけて（図示の例では４５°おきに）配置されている。同一の磁極を形成する２つの磁石３０は、径方向に延びる仮想線Ｌを基準として、周方向に線対称に形成されている。

　積層コア２０には、貫通孔２４が形成されている。貫通孔２４は、積層コア２０を積層方向Ｚに貫通している。貫通孔２４は、磁石３０に対応して設けられている。各磁石３０は、対応する貫通孔２４内に配置された状態で積層コア２０に固定されている。各磁石３０は、磁石３０の外面と貫通孔２４の内面との間に設けられた接着剤により、積層コア２０に固定されている。なおこの接着剤は、接着層２２を形成する接着剤と同種であってもよい。

　本実施形態では、各貫通孔２４内には、磁石３０が配置されていない隙間２５、２６が設けられている。隙間２５、２６は、磁石３０に対する周方向の両側に１つずつ設けられている。隙間２５、２６として、第１隙間２５と、第２隙間２６と、が設けられている。第１隙間２５は、磁石３０に対して、周方向に沿って仮想線Ｌ側に位置している。第２隙間２６は、磁石３０に対して、周方向に沿って仮想線Ｌの反対側に位置している。

　封止樹脂４０は、貫通孔２４内に配置されている。封止樹脂４０は、磁石３０の外面と貫通孔２４の内面との間を封止している。封止樹脂４０は、例えば、接着層２２を形成する接着剤と同じ接着剤を採用すること等ができる。封止樹脂４０としては、（１）アクリル系樹脂、（２）エポキシ系樹脂、（３）アクリル系樹脂およびエポキシ系樹脂を含んだ組成物などが適用可能である。接着層２２の接着剤と封止樹脂４０の接着剤は同じでもよいし、異なっていてもよい。封止樹脂４０は、第２隙間２６を封止している。これにより、同一の磁極を形成する２つの磁石３０は、２つの封止樹脂４０によって周方向に挟まれている。封止樹脂４０の降伏応力は、１０ＭＰａ以上２００ＭＰａ以下であることが好ましい。封止樹脂４０の降伏応力がこの範囲であれば、接着層２２に生じる応力を低減することができる。

　このローター１０の各種寸法は、例えば以下に示す寸法が好ましい。
（１）ローター１０（積層コア２０、鋼板２１）の直径：５０ｍｍ以上２００ｍｍ以下
（２）鋼板２１の厚さＴ１：０．１ｍｍ以上２．０ｍｍ以下
（３）接着層２２の厚さＴ２：２μｍ以上４μｍ以下
（４）積層コア２０の積厚：３０ｍｍ以上３００ｍｍ以下

　そして本実施形態では、ローター１０が１１０００ｒｐｍで３０秒以上回転するときに、積層コア２０の外縁２０ａの径方向への最大変位量が０．１ｍｍ以下である。図示の例では、１４０００ｒｐｍ以下の回転数でローター１０が回転するときに、前記最大変位量が０．１ｍｍ以下である。

　なお、積層コア２０の外縁２０ａの径方向への最大変位量は、例えば、以下の（１）（２）の方法により求められる。
（１）積層コア２０の外縁２０ａにおいて、ローター１０の周方向に沿った位置ごと（例えば、１１．２５°ごと、または１５°ごと）に、回転前または後における径方向の位置の変化量（図１２に示す寸法Ｄ）を求め、その変化量（以下、外形変位量ともいう）に回転中の弾性変形分を加えた値のうちの最大値を前記最大変位量とする。変位量の測定は例えば、レーザー変位計を用いて測定することができる。
（２）積層コア２０の外縁２０ａにおいて、回転前後で最も変位する部分が事前にわかっている場合（例えば、理論上明らかであったり、シミュレーションや経験則により把握されていたりする場合）、その部分について、回転前後における径方向の位置の変化量を求め、その変化量を前記最大変位量とする。

　さらに本実施形態では、鋼板２１の降伏応力（降伏点、強度）をＹＰ_Ｒ（ＭＰａ）とし、接着層２２の降伏応力（降伏点、強度）をＹＰ_Ｂ（ＭＰａ）とし、自動車の走行時における最大回転数をω（ｒｐｍ）としたとき、ＹＰ_ＲおよびＹＰ_Ｂの各値は、下記（１）式および下記（２）式を満たす。

　ここで、Ａ＝０．１０５、Ｂ＝１７０００、Ｃ＝１７０００、Ｄ＝４１０、Ｅ＝３０

０．１×ＹＰ_Ｒ≦ＹＰ_Ｂ≦１０×ＹＰ_Ｒ　　・・・　（２）

　ＹＰ_ＲおよびＹＰ_Ｂの各値が上記（１）式を満たすことで、ローター１０が最大回転数で回転したときに、鋼板２１のブリッジ２３が弾性域内で変形して塑性変形することが規制される。言い換えると、ブリッジ２３が弾性変形して塑性変形していない。また、ローター１０が１１０００ｒｐｍで回転するときには、積層コア２０の外縁２０ａの径方向への最大変位量が０．１ｍｍ以下となる。尚、ローター１０が１１０００ｒｐｍで回転するとき、ブリッジ２３は弾性域内で変形するため、少なくとも、積層コア２０の外縁２０ａの径方向へ０．０２０μｍ程度の変形は生じる。積層コア２０の外縁２０ａの径方向への最大変位量は、３０μｍ以上であってもよい。

　ＹＰ_ＲおよびＹＰ_Ｂの各値が上記（２）式を満たすことで、接着層２２の降伏応力ＹＰ_Ｂを最適な範囲に収めることができる。すなわち、接着層２２の降伏応力ＹＰ_Ｂが鋼板２１の降伏応力ＹＰ_Ｒの０．１倍未満の場合、接着層２２の降伏応力ＹＰ_Ｂが低すぎて低回転で変形するおそれがある。接着層２２の降伏応力ＹＰ_Ｂが鋼板２１の降伏応力ＹＰ_Ｒの１０倍超の場合、接着層２２の降伏応力ＹＰ_Ｂが高すぎて効果が飽和し、かつ、経済性が成立しない。

　なお、鋼板２１の降伏応力ＹＰ_Ｒは、１５０ＭＰａ以上５８０ＭＰａ以下であることが好ましい。接着層２２の降伏応力ＹＰ_Ｂは、１０ＭＰａ以上２００ＭＰａ以下であることが好ましい。

　鋼板２１の降伏応力ＹＰ_Ｒの測定方法の一例としては、以下に示す方法が挙げられる。
　すなわち、積層コア２０に用いられる鋼板２１から、所定の形状（例えば、３５ｍｍ×２５０ｍｍの矩形状）の試験片に切り出す。その後、この試験片を用いて、ＪＩＳ　Ｚ　２２４１：２０１１に準拠する引張試験を実施する。なお、積層コア２０から鋼板２１の試験片を切り出して降伏応力を測定する場合は、例えば、硬度測定の結果を基に引張強度に変換する方法がある。具体的には、鋼板２１の硬度を測定し、得られた硬度を基に硬さ換算表（ＪＩＳハンドブック）を用いて、硬度を引張強度に換算する。鋼材の一般的な降伏比が０．７３（０．６９～０．７５）であることから、換算後の引張強度から鋼板２１の降伏応力を算出することができる。

　接着層２２の降伏応力ＹＰ_Ｂの測定方法の一例としては、以下に示す方法が挙げられる。
　すなわち、積層コア２０に用いられる接着層２２から、所定の形状（例えば、１０ｍｍ×１１０ｍｍの矩形状）の試験片に切り出す。その後、この試験片を用いて、ＪＩＳ　Ｋ　７１６１－１（２０１４）に準拠する引張試験を実施する。

　なお鋼板２１や接着層２２について、使用している材料がわかっている場合、ローター１０から試験片を作成するのではなく、その材料を用いて独自に試験片を作成することも可能である。このような場合における接着層２２の降伏応力の測定方法の一例として、接着剤を短冊状に固めて接着層２２の試料片を作成し、それを引張試験する方法が勧められる。充填率が悪い接着剤の場合は、裏面に薄い濾紙を貼り付けて試料片を作成しても良い。試験片の形状はＪＩＳ　Ｋ　７１６１－２：２０１４に準拠する形状を採用しても良い。なお、積層コア２０から接着層２２を取り出す場合は、約３０質量％塩酸水溶液を作製し、その塩酸水溶液中に積層コア２０を浸漬して、鋼板２１を溶解させることで、接着層２２を得てもよい。浸漬時間は、鋼板２１の量・サイズに応じて適宜調整することができる。また、特に積層コア２０が大きい場合は、溶解反応を促進するために、途中で塩酸水溶液を交換してもよい。鋼板２１がすべて溶解した後は、接着層２２を取り出し洗浄する。洗浄後、ＪＩＳ　Ｋ　７１６１－２：２０１４に準拠した試験片に加工し、接着層２２の降伏応力を評価する。赤外線分光法（ＦＴ－ＩＲ）などを用いて接着層２２の組成を分析し、その分析結果を用いて同じ材料で試験片を作成してもよい。

＜ローター１０の回転数と外形変位量の関係＞
　ローター１０の回転数と外形変位量の関係について確認するために、モーターを準備した。このモーターには、直径１６２ｍｍのローター１０を組み込んだ。このローター１０は、降伏応力ＹＰ_Ｒが４００ＭＰａ、板厚０．２５ｍｍの鋼板２１と、降伏応力ＹＰ_Ｂが１２ＭＰａ、厚み２．５μｍの接着層２２と、を積層した積層コア２０を有する。なお以下に示す各試験においても、同サイズのローター１０を前提とする。

　このモーターにおいて、ローター１０の回転数を０ｒｐｍから１７０００ｒｐｍまで変化させ、ローター１０の外形変位量を測定した。この外形変位量は、積層コア２０の外縁２０ａのうち、図１に示すような特定の測定点Ｐについての外形変位量である。測定点Ｐは、ローター１０の外縁２０ａのうち、前記仮想線Ｌと交差する位置（ブリッジ２３の一部）である。

　結果を図４に示す。図４の横軸は、ローター１０の回転数を示す。図４の縦軸は、測定点における外形変位量を示す。図４に示すように、ローター１０の回転数の増加に伴い、ローター１０の径方向の遠心力が増加して、ローター１０の外形変位量が増加する。そして、特定の回転数（１４０００ｒｐｍ）を超えると、急激にローター１０の外形変位量が増加する。

＜応力分布の解析＞
　ここで、外形変位量の急増の要因について検討するため、本願発明者は、高速回転時のブリッジ２３に生じる応力をＦＥＭ解析により定量化した。
　鋼板２１のブリッジ２３におけるミーゼス応力分布の解析結果を、図５から図１０に示す。図５および図６は、ローター１０の回転数が１４０００ｒｐｍの場合を示している。図７および図８は、ローター１０の回転数が１５０００ｒｐｍの場合を示している。図９および図１０は、ローター１０の回転数が１６０００ｒｐｍの場合を示している。

　図５から図１０において、ハッチの濃淡がミーゼス応力の大小を表している（なお、磁石３０および封止樹脂４０にもハッチを付しているが、磁石３０および封止樹脂４０におけるミーゼス応力は、コンター表示の下限より小さい）。ミーゼス応力とは、物体の内部に生じる応力状態を単一の値で示すために用いられる相当応力をいう。
　例えば、図５および図６では、鋼板２１上に薄いハッチと濃いハッチとの２種類のハッチが示されている。これらの図において、薄いハッチは、ミーゼス応力が３８０ＭＰａ未満であることを意味している。濃いハッチは、ミーゼス応力が３８０ＭＰａ～４３０ＭＰａであることを意味している。なおこのローター１０において、鋼板２１の降伏応力ＹＰ_Ｒは３５６ＭＰａとしており、濃いハッチの領域では鋼板２１が確実に塑性変形していると考えられる。

　図５および図６の解析結果（１４０００ｒｐｍ）と、図７および図８の解析結果（１５０００ｒｐｍ）と、図９および図１０の解析結果（１６０００ｒｐｍ）と、を比較すると、回転数が高くなるに従って、ハッチが濃い領域、すなわち、ミーゼス応力が大きく、塑性変形している領域が急増していることがわかる。

　上記解析結果より、このローター１０では、１４０００ｒｐｍを超えた回転数で回転すると、ブリッジ２３に塑性変形が生じていることが確認された。この結果が、図４に示すような、１４０００ｒｐｍを超えた回転数で回転したときの外形変位量の急増につながっていると考えられる。

＜応力増加の要因分析＞
　前述のような応力の増加の要因について検討するために、ローター１０の回転前後における鋼板２１の形状について考察する。
　図１１に示すように、ローター１０が回転していないときには、遠心力が作用しておらず、鋼板２１は延伸していない。
　一方、図１２に示すように、ローター１０が高速回転するときには、ローター１０の径方向の遠心力が増加するため、鋼板２１がローター１０の径方向に延伸する（図１２中の破線）。このように鋼板２１が延伸すると、鋼板２１の外周部分の板厚が減少する。その結果、応力集中が引き起こされ、前述のようなミーゼス応力の急増が発生していると考えられる。

　以上から、ローター１０の回転数を高めたときに、積層された鋼板２１の径方向の延伸を抑制することで、ローター１０の外形変位量を低減することができると考えられる。
　そして本願発明者は、その方策として、接着層２２によって鋼板２１の延伸を抑制する方策が考えられる。

　接着層２２に使用する接着剤の強度は、通常、接着する対象物が剥離する場合の強度（密着力、剥離強度）を示すが、本実施形態においては、接着層２２に積層方向Ｚの引張応力が発生するものの、せん断力が極小であるため、密着力よりも、接着層２２そのものの強度（引張強度）、すなわち、接着層２２の内部変形を抑制する降伏応力ＹＰ_Ｂが重要となる。
　接着層２２の内部変形を抑制する降伏応力ＹＰ_Ｂが高いほど、積層された鋼板２１の延伸を抑制する効果が大きくなる。すなわち、ローター１０の径方向に引張応力が生じたときに、接着層２２が鋼板２１の変形を抑制する。これにより、ローター１０の回転数が高くなっても、ローター１０の外形変位量を低減することが可能となる。

　図１３は、ローター１０の回転数と、接着層２２に生じる積層方向Ｚの応力と、の関係を示したグラフである。図１３の横軸は、ローター１０の回転数を示す。図１３の縦軸は、接着層２２に生じる応力を示す。図１３に示すグラフ線のうち、実線は封止樹脂４０がない場合を示し、破線は封止樹脂４０（降伏応力：１２ＭＰａ）がある場合を示している。

　図１３に示すように、ローター１０の回転数の増加に伴い、接着層２２に生じる積層方向Ｚの応力が増加する。この積層方向Ｚの応力に耐えられる接着層２２を有する積層コア２０とすることにより、積層された鋼板２１のローター１０の径方向の延伸を抑制し、ローター１０の回転数を高回転にしても、ローター１０の外形変位量を低減することが可能となる。なお図１３から、封止樹脂４０がある場合、回転数が１６０００ｒｐｍ以下の範囲において、接着層２２に生じる応力が低減されることもわかる。

＜接着層２２の降伏応力＞
　接着層２２の降伏応力の基準値は、ローター１０の回転数をω、鋼板２１の降伏応力をＹＰ_Ｒとしたときに、下記（３）式に基づいて計算することができることを発明者は見出した。（３）式は、上記（１）式における右辺である。接着層２２の強度は上記（１）式の条件を満足することが必要である。

　ここで、Ａ＝０．１０５、Ｂ＝１７０００、Ｃ＝１７０００、Ｄ＝４１０、Ｅ＝３０

　なお例えば、回転数が１７０００ｒｐｍ、ローター１０の直径が１６２ｍｍ、鋼板２１の板厚が０．２５ｍｍ、接着層２２の厚みが０．００２ｍｍの場合、ＹＰ_ＲおよびＹＰ_Ｂの各値が（１）式を満足することにより、積層コア２０の前記最大変位量が目標値の０．１ｍｍ以下となることが、実機を用いた検証により確認された。

＜（１）式の検証＞
　まず、ローター１０の回転数と、塑性変形が生じない鋼板２１の降伏応力ＹＰ_Ｒおよび接着層２２の降伏応力ＹＰ_Ｂと、の関係を、ＦＥＭ解析を用いて求めた。結果を下記表１に示す。

　表１において、見出し列（先頭列）は、鋼板２１の降伏応力のＹＰ_Ｒ（ＭＰａ）を示している。見出し行（先頭行）は、ローター１０の回転数（ｒｐｍ）を示している。各セル内の値は、当該セルが属する列の見出し行の回転数でローター１０が回転するときで、かつ、当該セルが属する行の見出し列の鋼板２１の降伏応力ＹＰ_Ｒを前提とした場合、鋼板２１が塑性変形しないために必要な接着層２２の降伏応力ＹＰ_Ｂ（ＭＰａ）の値を示している。なお空白セルは、当該セルに該当する条件での接着層２２の降伏応力ＹＰ_Ｂを求めてないことを意味する。

　次に、上記（１）式から求めた上記関係を、下記表２に示す。表２の見方は、表１と同様である。表２における表中の各値は、上記（１）式の右辺から求めた値を、小数第１位で四捨五入した値である。なお表２では、表１よりも多くの場合について、接着層２２の降伏応力ＹＰ_Ｂを求めている。

　上記表１、表２の各値を比較した結果、両者の値の差異が小さく、（１）式によりＦＥＭ解析の結果を近似できていることが確認された。

　このように、外形変位量の急増は、接着層２２の降伏応力の調整、および、鋼板２１の降伏応力の調整のいずれによっても実現することができる。

＜ローター１０の設計方法＞
　上記ローター１０の設計に際しては、鋼板２１の降伏応力および接着層２２の降伏応力を以下のように設定する。すなわち、前記最大回転数でローター１０が回転し、磁石３０から積層コア２０に遠心力が伝達されるときに、鋼板２１の変形が規制されるように（鋼板２１に生じる応力が鋼板２１の降伏応力ＹＰ_Ｒに至らないように）、各降伏応力を設定する。具体的には、各降伏応力が上記（１）式および上記（２）式を満たすように、各降伏応力を設定する。

　ここで図１４のグラフに、上記（１）式によって得られる境界線を示す。図１４のグラフの横軸は、鋼板２１の降伏応力のＹＰ_Ｒを示す。図１４中のグラフ線のうち、実線のグラフ線は、回転数が１６０００ｒｐｍの場合における（１）式の右辺の値（（３）式）を示す。破線のグラフ線は、回転数が１７０００ｒｐｍの場合における（１）式の右辺の値（（３）式）を示す。鎖線のグラフ線は、回転数が１８０００ｒｐｍの場合における（１）式の右辺の値（（３）式）を示す。

　各回転数に耐えられる積層コア２０とするためには、鋼板２１の降伏応力のＹＰ_Ｒおよび接着層２２の降伏応力ＹＰ_Ｂの組み合わせを、図１４に示す各回転数のグラフ線よりも右上の領域に含まれる組み合わせにする必要がある。言い換えると、図１４に示すグラフ線の右上の領域に含まれる接着層２２の強度と鋼板２１の強度の組合せでは、その全ての組合せが各回転数に耐えうる。ただし、鋼板２１の降伏応力のＹＰ_Ｒおよび接着層２２の降伏応力ＹＰ_Ｂの組み合わせを、図１４に示す各回転数のグラフ線よりも左下の領域に含まれる組み合わせにした場合、ローター１０が回転するときに、ローター１０の径方向へ向けた積層コアの外縁の最大変位量が０．１ｍｍ超となるため好ましくない。また、右上の領域にすれば変形強度は上昇させることができるが、不必要な高強度の鋼板を用いることになるため、打ち抜き精度の課題や金型摩耗による生産阻害などが発生するため、グラフ線上となるよう設計することが重要である。

　例えば、１７０００ｒｐｍに耐えうるローター１０を作成する場合には、鋼板２１の強度が３６０ＭＰａと接着層２２の強度１４２ＭＰａとの組合せ、あるいは鋼板２１の強度４００ＭＰａと接着層２２の強度５２ＭＰａの組合せを選ぶ。

＜ローター１０の製造方法＞
　上記設計方法を用いて設計されたローター１０は、公知の製造方法で製造することができる。例えば、接着剤を用いたローター１０の製造方法は、鋼板２１一枚一枚に接着剤を塗布する方法、含侵浸漬法、テープ状に加工した接着剤を使用する方法さらには金型内接着方法等が提案されている。本実施形態では、いずれの製造方法においても製造可能であり、製造方法について限定されない。

　以上説明したように、本実施形態に係るローター１０によれば、１１０００ｒｐｍでローター１０が回転するときに、ローター１０の径方向へ向けた積層コア２０の外縁２０ａの最大変位量が０．１ｍｍ以下である。したがって、自動車の走行時における最大回転数（例えば、１１０００ｒｐｍを超えるような回転数）でローター１０が回転したときであっても、ローター１０の外形の変形を抑え、例えば、ローター１０がステーターに接触すること等を防止することができる。これにより、モーターの破損を抑制することができる。

　また、本実施形態に係る設計方法により設計されたローター１０によれば、自動車の走行時における最大回転数でローター１０が回転し、磁石３０から積層コア２０に遠心力が伝達されるときに、鋼板２１が径方向に変形することを接着層２２が抑制し、鋼板２１の変形が規制される。よって、自動車の走行時における最大回転数でローター１０が回転したときであっても、ローター１０の外形の変形を抑え、例えば、ローター１０がステーターに接触すること等を防止することができる。これにより、モーターの破損を抑制することができる。

　ところで、これまで接着層２２については、接着強度（引張、圧縮、せん断、９０度剥離などの状況下での鋼板２１との密着力）による評価が重用されてきた。このような背景もあり、接着層２２の降伏応力に基づいて鋼板２１の変形を規制するという技術的思想は存在していなかった。鋼板２１の変形を規制するためには、実質的に、高強度の鋼板２１を使用して対応するしかなかった。その結果、ローター１０が高コストとなり、ローター１０の製造が困難になっていた。特に、鋼板２１として電磁鋼板２１を採用した場合には、基本的な特性（低鉄損、高磁束密度）に加えて高強度の要求を満たす必要がある。そのため、成分設計が困難になるばかりか、圧延や焼鈍などの各プロセスにおいても製造条件が制約されて製造が困難になる。

　そこでこの設計方法では、自動車の走行時における最大回転数でローター１０が回転し、磁石３０から積層コア２０に遠心力が伝達されるときに、鋼板２１がローター１０の径方向に変形することを接着層２２が抑制して鋼板２１の変形が規制されるように、（１）鋼板２１の降伏応力、（２）接着層２２の降伏応力を設定する。すなわち、鋼板２１の降伏応力だけでなく、接着層２２の降伏応力も考慮する。これにより、鋼板２１の降伏応力がある程度、低い場合であっても、接着層２２の降伏応力を高めることで、鋼板２１の変形を規制することができる。

　ここで、鋼板２１の強度は、高くなれば高くなるほど供給サプライヤーは限定され、コストも高くなる。一方、接着剤の強度はコストと概ね正相関があり、さらに接着剤には強度が高くなればなるほど高い硬化温度を求められる等、製造設備による制約もある。
　この設計方法では、前述のように鋼板２１の降伏応力だけでなく接着層２２の降伏応力を考慮することで、コストのみならず地域性、市場性に応じた最適な鋼板２１および接着剤の組合せを選定することができる。したがって、品質面のみならず製造面での要求を満たすローター１０を製造することが可能である。

　以上、具体的な数式を用いて、接着層２２の強度と鋼板２１の強度の関係を規定したが、本発明においてはかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、数式の変更を含む各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

　例えば、前記実施形態におけるローター１０では、２つ１組の磁石３０が１つの磁極を形成しているが、本発明はこれに限られない。１つの磁石３０が１つの磁極を形成していてもよく、３つ以上の磁石３０が１つの磁極を形成していてもよい。
　（１）式および（２）式が満たされていなくてもよい。
　封止樹脂４０がなくてもよい。第１隙間２５および第２隙間２６がなくてもよい。

１０　　ローター
２０　　積層コア
２０ａ　外縁
２１　　鋼板
２２　　接着層
２３　　ブリッジ
２４　　貫通孔
３０　　磁石
４０　　封止樹脂
 

Claims (9)

1. 　自動車の走行用のモーターに組み込まれる磁石埋め込み式ローターであって、
   　互いに積層された鋼板、および積層方向に隣り合う前記鋼板を接着する接着層を有する積層コアと、
   　前記積層コアに埋め込まれた磁石と、を備え、
   　前記ローターが１１０００ｒｐｍで回転するときに、前記ローターの径方向へ向けた前記積層コアの外縁の最大変位量が０．１ｍｍ以下であるローター。
2. 　前記鋼板の降伏応力ＹＰ_Ｒが、１５０ＭＰａ以上５８０ＭＰａ以下である、請求項１に記載のローター。
3. 　前記鋼板の降伏応力をＹＰ_Ｒ（ＭＰａ）とし、前記接着層の降伏応力をＹＰ_Ｂ（ＭＰａ）とし、前記自動車の走行時における最大回転数をω（ｒｐｍ）としたとき、
   　下記（１）式を満たす請求項１または２に記載のローター。
   

   

   　ここで、Ａ＝０．１０５、Ｂ＝１７０００、Ｃ＝１７０００、Ｄ＝４１０、Ｅ＝３０
4. 　下記（２）式を更に満たす請求項３に記載のローター。
   ０．１×ＹＰ_Ｒ≦ＹＰ_Ｂ≦１０×ＹＰ_Ｒ　　・・・　（２）
5. 　前記磁石は、前記積層コアを前記積層方向に貫通する貫通孔内に配置され、
   　前記貫通孔内には、前記磁石の外面と前記貫通孔の内面との間を封止する封止樹脂が設けられている請求項１から４のいずれか１項に記載のローター。
6. 　自動車の走行用のモーターに組み込まれる磁石埋め込み式ローターの設計方法であって、
   　前記ローターは、
   　互いに積層された鋼板、および積層方向に隣り合う前記鋼板を接着する接着層を有する積層コアと、
   　前記積層コアに埋め込まれた磁石と、を備え、
   　前記設計方法では、前記自動車の走行時における最大回転数で前記ローターが回転するときに、前記ローターの径方向へ向けた前記積層コアの外縁の最大変位量が０．１ｍｍ以下となるように、前記鋼板の降伏応力および前記接着層の降伏応力を設定するローターの設計方法。
7. 　前記鋼板の降伏応力をＹＰ_Ｒ（ＭＰａ）とし、前記接着層の降伏応力をＹＰ_Ｂ（ＭＰａ）とし、前記最大回転数をω（ｒｐｍ）としたとき、
   　下記（１）式を満たすように前記鋼板の降伏応力ＹＰ_Ｒおよび前記接着層の降伏応力ＹＰ_Ｂを設定する請求項６に記載のローターの設計方法。
   

   

   　ここで、Ａ＝０．１０５、Ｂ＝１７０００、Ｃ＝１７０００、Ｄ＝４１０、Ｅ＝３０
8. 　下記（２）式を更に満たすように前記鋼板の降伏応力ＹＰ_Ｒおよび前記接着層の降伏応力ＹＰ_Ｂを設定する請求項７に記載のローターの設計方法。
   ０．１×ＹＰ_Ｒ≦ＹＰ_Ｂ≦１０×ＹＰ_Ｒ　　・・・　（２）
9. 　請求項６から８のいずれか１項に記載のローターの設計方法を用いるローターの製造方法。 

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