KR20220045210A - 로터, 로터의 설계 방법 및 로터의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

이 로터는, 자동차의 주행용의 모터에 내장되는 자석 매립식 로터이며, 서로 적층된 강판, 및 적층 방향으로 인접하는 상기 강판을 접착하는 접착층을 갖는 적층 코어와, 상기 적층 코어에 매립된 자석을 구비하고, 상기 로터가 11000rpm으로 회전할 때, 상기 로터의 직경 방향을 향한 상기 적층 코어의 외연의 최대 변위량이 0.1mm 이하이다.

Description

로터, 로터의 설계 방법 및 로터의 제조 방법

본 발명은, 로터, 로터의 설계 방법 및 로터의 제조 방법에 관한 것이다. 본원은, 2019년 10월 8일에, 일본에 출원된 일본 특허 출원 제2019-185110호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.

로터는, 모터에 회전체로서 사용되는 코어이다. 로터는, 지금까지 주로 코킹 구조에 의해 제조되고 있다. 그러나, 근년 전자 강판의 박육화, 생산 효율의 향상을 목적으로 하여, (1) 접착 구조, (2) 코킹과 접착의 조합 구조에서의 제조법이 제안되어 있다(예를 들어, 특허문헌 1 참조).

일본 특허 공개 제2014-197981호 공보

하이브리드 자동차, 전기 자동차의 출현에 의해, 모터의 로터는 14000rpm 이상의 고회전이 요구되고 있다. 자동차에 사용되는 모터는 IPM 모터가 주류이다. IPM 모터에서는, 로터에 자석이 매립되어 있다. 모터 효율의 관점에서, 최외주에 보다 가까운 위치로의 자석의 설치가 요구되고 있다. 그 때문에, 자석의 외측의 브리지라고 불리는 강판 폭이 좁은 개소에 응력이 집중되어, 브리지가 팽창하려고 하여 로터가 변형된다. 로터의 변형은, 즉, 스테이터와의 협애한 간극을 유지하는 것이 불가능해지는 것을 의미하며, 모터의 파손에 이른다.

본 발명은, 고속 회전 시에 있어서의 파손이 억제된 로터를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명은 이하의 수단을 제안하고 있다.

본 발명에 관한 로터는, 자동차의 주행용의 모터에 내장되는 자석 매립식 로터이며, 서로 적층된 강판, 및 적층 방향으로 인접하는 상기 강판을 접착하는 접착층을 갖는 적층 코어와, 상기 적층 코어에 매립된 자석을 구비하고, 상기 로터가 11000rpm으로 회전할 때, 상기 로터의 직경 방향을 향한 상기 적층 코어의 외연의 최대 변위량이 0.1mm 이하이다.

11000rpm으로 로터가 회전할 때, 로터의 직경 방향을 향한 적층 코어의 외연의 최대 변위량이 0.1mm 이하이다. 따라서, 자동차의 주행 시에 있어서의 최대 회전수(예를 들어, 11000rpm을 초과하는 회전수)로 로터가 회전하였을 때라도, 로터의 외형의 변형을 억제하여, 예를 들어 로터가 스테이터에 접촉하는 것 등을 방지할 수 있다. 이에 의해, 모터의 파손을 억제할 수 있다.

또한, 적층 코어의 외연의 직경 방향으로의 최대 변위량은, 예를 들어 이하의 (1), (2)의 방법에 의해 구해진다.

(1) 적층 코어의 외연에 있어서, 로터의 주위 방향을 따른 위치마다, 회전 전후에 있어서의 직경 방향의 위치 변화량을 구하고, 그 변화량에 회전 중의 탄성 변형분을 더한 값 중 최댓값을 상기 최대 변위량으로 한다.

(2) 적층 코어의 외연에 있어서, 회전 전후에서 가장 변위되는 부분을 사전에 알고 있는 경우(예를 들어, 이론상 명확하거나, 시뮬레이션이나 경험칙에 의해 파악되어 있거나 한 경우), 그 부분에 대하여, 회전 전후에 있어서의 직경 방향의 위치의 변화량을 구하고, 그 변화량에 회전 중의 탄성 변형분을 더한 값을 상기 최대 변위량으로 한다.

상기 강판의 항복 응력 YP_R이 150MPa 이상 580MPa 이하여도 된다.

상기 강판의 항복 응력을 YP_R(MPa)로 하고, 상기 접착층의 항복 응력을 YP_B(MPa)로 하고, 상기 자동차의 주행 시에 있어서의 최대 회전수를 ω(rpm)로 하였을 때, 하기 (1)식을 충족해도 된다.

여기서, A=0.105, B=17000, C=17000, D=410, E=30

하기 (2)식을 더 충족해도 된다.

0.1×YP_R≤YP_B≤10×YP_R · · ·(2)

상기 자석은, 상기 적층 코어를 상기 적층 방향으로 관통하는 관통 구멍 내에 배치되고, 상기 관통 구멍 내에는, 상기 자석의 외면과 상기 관통 구멍의 내면의 사이를 밀봉하는 밀봉 수지가 마련되어 있어도 된다.

본 발명에 관한 로터의 설계 방법은, 자동차의 주행용의 모터에 내장되는 자석 매립식 로터의 설계 방법이며, 상기 로터는, 서로 적층된 강판, 및 적층 방향으로 인접하는 상기 강판을 접착하는 접착층을 갖는 적층 코어와, 상기 적층 코어에 매립된 자석을 구비하고, 상기 설계 방법에서는, 상기 자동차의 주행 시에 있어서의 최대 회전수로 상기 로터가 회전할 때, 상기 로터의 직경 방향을 향한 상기 적층 코어의 외연의 최대 변위량이 0.1mm 이하가 되도록, 상기 강판의 항복 응력 및 상기 접착층의 항복 응력을 설정한다.

이 설계 방법에 의해 설계된 로터에 의하면, 자동차의 주행 시에 있어서의 최대 회전수로 로터가 회전할 때, 로터의 직경 방향을 향한 적층 코어의 외연의 최대 변위량이 0.1mm 이하이다. 따라서, 자동차의 주행 시에 있어서의 최대 회전수로 로터가 회전하였을 때라도, 로터의 외형의 변형을 억제하여, 예를 들어 로터가 스테이터에 접촉하는 것 등을 방지할 수 있다. 이에 의해, 모터의 파손을 억제할 수 있다.

그런데, 지금까지 접착층에 대해서는, 접착 강도(인장, 압축, 전단, 90도 박리 등의 상황 하에서의 강판과의 밀착력)에 의한 평가가 중용되어 왔다. 이러한 배경도 있어, 접착층의 항복 응력에 기초하여 강판의 변형을 규제한다는 기술적 사상은 존재하지 않았다. 강판의 변형을 규제하기 위해서는, 실질적으로 고강도의 강판을 사용하여 대응할 수밖에 없었다. 그 결과, 로터가 고비용이 되어, 로터의 제조가 곤란해지고 있었다. 특히, 강판으로서 전자 강판을 채용한 경우에는, 기본적인 특성(저철손, 고자속 밀도)에 더하여 고강도의 요구를 충족시킬 필요가 있다. 그 때문에, 성분 설계가 곤란해질 뿐만 아니라, 압연이나 어닐링 등의 각 프로세스에 있어서도 제조 조건이 제약되어 제조가 곤란해진다.

그래서 이 설계 방법에서는, 자동차의 주행 시에 있어서의 최대 회전수로 로터가 회전할 때, 강판의 변형이 규제되도록, (1) 강판의 항복 응력, (2) 접착층의 항복 응력을 설정한다. 즉, 강판의 항복 응력뿐만 아니라, 접착층의 항복 응력도 고려한다. 이에 의해, 강판의 항복 응력이 어느 정도 낮은 경우라도, 접착층의 항복 응력을 높임으로써, 강판의 변형을 규제할 수 있다. 이것은, 접착층이, 강판이 담당하고 있던 변형을 억제하는 기능을 일부 담보함으로써 강판의 변형을 억제할 수 있기 때문이다.

미제스 응력·특히 두께 방향으로 발생하는 힘이 커지고, 강판의 판 두께가 감소함으로써, 강판은 변형된다. 본 발명자들이 예의 검토한 결과, 강판의 판 두께 감소를 억제하기 위해서는, 항복 응력이 높은 접착층을 사용하는 것이 유효한 것을 알았다. 접착층에 항복 응력이 높은 것을 사용함으로써 소성역에 있어서의 강판의 변형을 억제할 수 있다. 이에 의해, 강판의 최소 변형량은 탄성역에서의 변형량이 되어, 사용 한계가 되는 강판의 변형의 상한을 억제할 수 있다.

통상, 강판의 강도는, 높아지면 높아질수록 공급 서플라이어는 한정되고, 비용도 높아진다. 한편, 접착제의 강도는 비용과 대략 정상관이 있고, 또한 접착제에는 강도가 높아지면 높아질수록 높은 경화 온도가 요구되는 등, 제조 설비에 의한 제약도 있다.

이 설계 방법에서는, 전술한 바와 같이 강판의 항복 응력뿐만 아니라 접착층의 항복 응력을 고려함으로써, 비용뿐만 아니라 지역성, 시장성에 따른 최적의 강판 및 접착제의 조합을 선정할 수 있다. 따라서, 품질면뿐만 아니라 제조면에서의 요구를 충족시키는 로터를 제조하는 것이 가능하다. 즉, 본원 발명을 사용하면, 상술한 제조가 어렵고, 공급 서플라이어가 한정되고, 고비용이 되는 고강도 강판을 사용하는 일 없이, 또한 로터의 미세한 부분에 특수한 강판 경화 처리나 열처리 등의 강판을 강화하는 공정을 증가시키는 일 없이, 강판의 변형을 억제할 수 있다.

상기 강판의 항복 응력을 YP_R(MPa)로 하고, 상기 접착층의 항복 응력을 YP_B(MPa)로 하고, 상기 최대 회전수를 ω(rpm)로 하였을 때, 하기 (1)식을 충족시키도록 상기 강판의 항복 응력 YP_R 및 상기 접착층의 항복 응력 YP_B를 설정해도 된다.

여기서, A=0.105, B=17000, C=17000, D=410, E=30

하기 (2)식을 더 충족시키도록 상기 강판의 항복 응력 YP_R 및 상기 접착층의 항복 응력 YP_B를 설정해도 된다.

0.1×YP_R≤YP_B≤10×YP_R · · ·(2)

본 발명에 관한 로터의 제조 방법은, 상기 로터의 설계 방법을 사용한다.

본 발명에 따르면, 고속 회전 시에 있어서의 파손이 억제된 로터를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 로터의 일부를 나타내는 평면도이다.
도 2는 도 1에 나타내는 A-A 화살표 방향에서 본 단면도이다.
도 3은 도 1에 나타내는 B-B 화살표 방향에서 본 단면도이다.
도 4는 로터의 회전수와 적층 코어의 외연의 변위량의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 5는 로터의 회전수가 14000rpm인 경우에 있어서의, 강판의 미제스 응력 분포의 해석 결과를 나타내는 평면도이다.
도 6은 로터의 회전수가 14000rpm인 경우에 있어서의, 강판의 미제스 응력 분포의 해석 결과를 나타내는 사시도이다.
도 7은 로터의 회전수가 15000rpm인 경우에 있어서의, 강판의 미제스 응력 분포의 해석 결과를 나타내는 평면도이다.
도 8은 로터의 회전수가 15000rpm인 경우에 있어서의, 강판의 미제스 응력 분포의 해석 결과를 나타내는 사시도이다.
도 9는 로터의 회전수가 16000rpm인 경우에 있어서의, 강판의 미제스 응력 분포의 해석 결과를 나타내는 평면도이다.
도 10은 로터의 회전수가 16000rpm인 경우에 있어서의, 강판의 미제스 응력 분포의 해석 결과를 나타내는 사시도이다.
도 11은 적층 코어의 외연의 변위에 대하여 설명하기 위한 도면이며, 로터가 회전하고 있지 않은 상태에 있어서의 적층 코어의 외연을 포함하는 단면도이다.
도 12는 적층 코어의 외연의 변위에 대하여 설명하기 위한 도면이며, 로터가 고속 회전하고 있는 상태에 있어서의 적층 코어의 외연을 포함하는 단면도이다.
도 13은 로터의 회전수와 접착층에 발생하는 응력의 크기의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 14는 소정의 회전수에 견딜 수 있는 강판의 강도와 접착층의 강도의 관계를 나타내는 그래프이다.

이하, 도 1 내지 도 14를 참조하여, 본 발명의 일 실시 형태에 관한 모터용의 로터를 설명한다.

<구성>

도 1 내지 도 3에 도시한 바와 같이, 로터(10)는, 자동차(예를 들어, 하이브리드 자동차나 전기 자동차)의 주행용의 모터에 내장된다. 모터는, 이너 로터형의 IPM 모터(매립 자석(30)형 모터)이다. 로터(10)는 자석 매립식이다. 또한, 모터의 최대 회전수는, 자동차에 요구되는 성능 특성에 따라서 결정되며, 최고 속도, 가속성 혹은 모터의 소형화가 중요시되는 경우에는, 높아지는 경향이 있다. 상기 최대 회전수는, 예를 들어 11000rpm 이상이며, 보다 구체적으로는 12000rpm 이상 20000rpm 이하이다.

이하에서는, 로터(10)의 축방향(로터(10)의 중심 축선 O 방향)을 축방향이라 하고, 로터(10)의 직경 방향(로터(10)의 중심 축선 O에 직교하는 방향)을 직경 방향이라 하고, 로터(10)의 주위 방향(로터(10)의 중심 축선 O 주위로 주회하는 방향)을 주위 방향이라 한다.

로터(10)는 적층 코어(20)와, 자석(30)과, 밀봉 수지(40)를 구비하고 있다.

적층 코어(20)는 서로 적층된 강판(21)과, 적층 방향 Z로 인접하는 강판(21)을 접착하는 접착층(22)을 구비하고 있다. 또한 적층 방향 Z는 축방향과 일치하고 있다. 또한 본 실시 형태에서는, 적층 방향 Z로 인접하는 강판(21)은, 접착층(22)과는 다른 수단(예를 들어 코킹) 등에 의해서는 고정되어 있지 않다. 이들 강판(21)은 접착층(22)에 의해서만 고정되어 있다.

강판(21)은 전자 강판이다. 강판(21)은, 예를 들어 전자 강판을 펀칭 가공하는 것 등에 의해 형성된다. 전자 강판으로서는, 공지된 전자 강판을 사용할 수 있다. 전자 강판의 화학 조성은 특별히 한정되지 않는다. 본 실시 형태에서는, 전자 강판으로서, 무방향성 전자 강판을 채용하고 있다. 무방향성 전자 강판으로서는, 예를 들어 JISC2552:2014의 무방향성 전강대를 채용할 수 있다.

접착층(22)은 적층 방향 Z로 인접하는 강판(21)의 사이에서 경화된 접착제이다. 접착제에는, 예를 들어 중합 결합에 의한 열경화형의 접착제 등이 사용된다. 접착제의 조성물로서는, (1) 아크릴계 수지, (2) 에폭시계 수지, (3) 아크릴계 수지 및 에폭시계 수지를 포함한 조성물 등이 적용 가능하다. 또한, 80MPa를 초과하는 접착층(22)의 강도(항복 응력)가 필요한 경우에는, 접착제로서, 슈퍼 엔프라(슈퍼 엔지니어링 플라스틱)라고 불리는 수지를 사용해도 된다.

접착층(22)은, 강판(21) 중 적어도 브리지(23)를 포함하는 부분을 접착하고 있다. 브리지(23)는 강판(21) 중 자석(30)보다도 직경 방향의 외측에 위치하는 부분이다. 도시한 예에서는, 접착층(22)은 적층 방향 Z로 인접하는 강판(21)을 전체면에 걸쳐 접착하고 있다. 또한, 접착층(22)의 두께가 1㎛ 미만인 경우, 접착 불량이 되고, 10㎛ 초과인 경우, 모터 효율을 저하시키기 때문에, 접착층(22)의 두께는 1 내지 10㎛인 것이 바람직하다.

자석(30)은 영구 자석이다. 자석(30)은 적층 코어(20)에 매립되어 있다. 본 실시 형태에서는, 2개 1조의 자석(30)이 하나의 자극을 형성하고 있다. 복수조의 자석(30)은 주위 방향으로 동등한 간격을 두고(도시한 예에서는 45° 간격으로) 배치되어 있다. 동일한 자극을 형성하는 2개의 자석(30)은 직경 방향으로 연장되는 가상선 L을 기준으로 하여, 주위 방향으로 선대칭으로 형성되어 있다.

적층 코어(20)에는, 관통 구멍(24)이 형성되어 있다. 관통 구멍(24)은 적층 코어(20)를 적층 방향 Z로 관통하고 있다. 관통 구멍(24)은 자석(30)에 대응하여 마련되어 있다. 각 자석(30)은 대응하는 관통 구멍(24) 내에 배치된 상태에서 적층 코어(20)에 고정되어 있다. 각 자석(30)은 자석(30)의 외면과 관통 구멍(24)의 내면의 사이에 마련된 접착제에 의해, 적층 코어(20)에 고정되어 있다. 또한 이 접착제는, 접착층(22)을 형성하는 접착제와 동종이어도 된다.

본 실시 형태에서는, 각 관통 구멍(24) 내에는, 자석(30)이 배치되어 있지 않은 간극(25, 26)이 마련되어 있다. 간극(25, 26)은, 자석(30)에 대한 주위 방향의 양측에 1개씩 마련되어 있다. 간극(25, 26)으로서, 제1 간극(25)과, 제2 간극(26)이 마련되어 있다. 제1 간극(25)은 자석(30)에 대하여 주위 방향을 따라 가상선 L측에 위치하고 있다. 제2 간극(26)은 자석(30)에 대하여 주위 방향을 따라 가상선 L의 반대측에 위치하고 있다.

밀봉 수지(40)는 관통 구멍(24) 내에 배치되어 있다. 밀봉 수지(40)는 자석(30)의 외면과 관통 구멍(24)의 내면의 사이를 밀봉하고 있다. 밀봉 수지(40)는, 예를 들어 접착층(22)을 형성하는 접착제와 동일한 접착제를 채용하거나 할 수 있다. 밀봉 수지(40)로서는, (1) 아크릴계 수지, (2) 에폭시계 수지, (3) 아크릴계 수지 및 에폭시계 수지를 포함한 조성물 등이 적용 가능하다. 접착층(22)의 접착제와 밀봉 수지(40)의 접착제는 동일해도 되고, 달라도 된다. 밀봉 수지(40)는 제2 간극(26)을 밀봉하고 있다. 이에 의해, 동일한 자극을 형성하는 2개의 자석(30)은 2개의 밀봉 수지(40)에 의해 주위 방향으로 끼워져 있다. 밀봉 수지(40)의 항복 응력은, 10MPa 이상 200MPa 이하인 것이 바람직하다. 밀봉 수지(40)의 항복 응력이 이 범위라면, 접착층(22)에 발생하는 응력을 저감시킬 수 있다.

이 로터(10)의 각종 치수는, 예를 들어 이하에 나타내는 치수가 바람직하다.

(1) 로터(10)(적층 코어(20), 강판(21))의 직경: 50mm 이상 200mm 이하

(2) 강판(21)의 두께 T1: 0.1mm 이상 2.0mm 이하

(3) 접착층(22)의 두께 T2: 2㎛ 이상 4㎛ 이하

(4) 적층 코어(20)의 적층 두께: 30mm 이상 300mm 이하

그리고 본 실시 형태에서는, 로터(10)가 11000rpm으로 30초 이상 회전할 때, 적층 코어(20)의 외연(20a)의 직경 방향으로의 최대 변위량이 0.1mm 이하이다. 도시한 예에서는, 14000rpm 이하의 회전수로 로터(10)가 회전할 때, 상기 최대 변위량이 0.1mm 이하이다.

또한, 적층 코어(20)의 외연(20a)의 직경 방향으로의 최대 변위량은, 예를 들어 이하의 (1), (2)의 방법에 의해 구해진다.

(1) 적층 코어(20)의 외연(20a)에 있어서, 로터(10)의 주위 방향을 따른 위치마다(예를 들어, 11.25°마다 또는 15°마다), 회전 전 또는 후에 있어서의 직경 방향의 위치의 변화량(도 12에 나타내는 치수 D)을 구하고, 그 변화량(이하, 외형 변위량이라고도 함)에 회전 중의 탄성 변형분을 더한 값 중 최댓값을 상기 최대 변위량으로 한다. 변위량의 측정은 예를 들어, 레이저 변위계를 사용하여 측정할 수 있다.

(2) 적층 코어(20)의 외연(20a)에 있어서, 회전 전후에서 가장 변위되는 부분을 사전에 알고 있는 경우(예를 들어, 이론상 명확하거나, 시뮬레이션이나 경험칙에 의해 파악되어 있거나 한 경우), 그 부분에 대하여, 회전 전후에 있어서의 직경 방향의 위치 변화량을 구하고, 그 변화량을 상기 최대 변위량으로 한다.

또한 본 실시 형태에서는, 강판(21)의 항복 응력(항복점, 강도)을 YP_R(MPa)로 하고, 접착층(22)의 항복 응력(항복점, 강도)을 YP_B(MPa)로 하고, 자동차의 주행 시에 있어서의 최대 회전수를 ω(rpm)로 하였을 때, YP_R 및 YP_B의 각 값은, 하기 (1)식 및 하기 (2)식을 충족시킨다.

여기서, A=0.105, B=17000, C=17000, D=410, E=30

0.1×YP_R≤YP_B≤10×YP_R · · ·(2)

YP_R 및 YP_B의 각 값이 상기 (1)식을 충족시킴으로써, 로터(10)가 최대 회전수로 회전하였을 때, 강판(21)의 브리지(23)가 탄성역 내에서 변형되어 소성 변형되는 것이 규제된다. 바꾸어 말하면, 브리지(23)가 탄성 변형되어 소성 변형되어 있지 않다. 또한, 로터(10)가 11000rpm으로 회전할 때에는, 적층 코어(20)의 외연(20a)의 직경 방향으로의 최대 변위량이 0.1mm 이하가 된다. 또한, 로터(10)가 11000rpm으로 회전할 때, 브리지(23)는 탄성역 내에서 변형되기 때문에, 적어도 적층 코어(20)의 외연(20a)의 직경 방향으로 0.020㎛ 정도의 변형은 발생한다. 적층 코어(20)의 외연(20a)의 직경 방향으로의 최대 변위량은, 30㎛ 이상이어도 된다.

YP_R 및 YP_B의 각 값이 상기 (2)식을 충족시킴으로써, 접착층(22)의 항복 응력 YP_B를 최적의 범위에 들어가게 할 수 있다. 즉, 접착층(22)의 항복 응력 YP_B가 강판(21)의 항복 응력 YP_R의 0.1배 미만인 경우, 접착층(22)의 항복 응력 YP_B가 너무 낮아서 저회전에서 변형될 우려가 있다. 접착층(22)의 항복 응력 YP_B가 강판(21)의 항복 응력 YP_R의 10배 초과인 경우, 접착층(22)의 항복 응력 YP_B가 너무 높아서 효과가 포화되며, 또한 경제성이 성립되지 않는다.

또한, 강판(21)의 항복 응력 YP_R은, 150MPa 이상 580MPa 이하인 것이 바람직하다. 접착층(22)의 항복 응력 YP_B는, 10MPa 이상 200MPa 이하인 것이 바람직하다.

강판(21)의 항복 응력 YP_R의 측정 방법의 일례로서는, 이하에 나타내는 방법을 들 수 있다.

즉, 적층 코어(20)에 사용되는 강판(21)으로부터, 소정의 형상(예를 들어, 35mm×250mm의 직사각 형상)의 시험편으로 잘라낸다. 그 후, 이 시험편을 사용하여, JIS Z 2241:2011에 준거하는 인장 시험을 실시한다. 또한, 적층 코어(20)로부터 강판(21)의 시험편을 잘라내어 항복 응력을 측정하는 경우에는, 예를 들어 경도 측정의 결과를 기초로 인장 강도로 변환하는 방법이 있다. 구체적으로는, 강판(21)의 경도를 측정하고, 얻어진 경도를 기초로 경도 환산표(JIS 핸드북)를 사용하여, 경도를 인장 강도로 환산한다. 강재의 일반적인 항복비가 0.73(0.69 내지 0.75)이라는 점에서, 환산 후의 인장 강도로부터 강판(21)의 항복 응력을 산출할 수 있다.

접착층(22)의 항복 응력 YP_B의 측정 방법의 일례로서는, 이하에 나타내는 방법을 들 수 있다.

즉, 적층 코어(20)에 사용되는 접착층(22)으로부터, 소정의 형상(예를 들어, 10mm×110mm의 직사각 형상)의 시험편으로 잘라낸다. 그 후, 이 시험편을 사용하여, JIS K 7161-1(2014)에 준거하는 인장 시험을 실시한다.

또한 강판(21)이나 접착층(22)에 대하여, 사용하고 있는 재료를 알고 있는 경우, 로터(10)로부터 시험편을 제작하는 것이 아니라, 그 재료를 사용하여 독자적으로 시험편을 제작하는 것도 가능하다. 이러한 경우에 있어서의 접착층(22)의 항복 응력의 측정 방법의 일례로서, 접착제를 직사각형으로 굳혀 접착층(22)의 시료편을 제작하고, 그것을 인장 시험하는 방법이 권장된다. 충전율이 나쁜 접착제인 경우에는, 이면에 얇은 여과지를 첩부하여 시료편을 제작해도 된다. 시험편의 형상은 JIS K 7161-2:2014에 준거하는 형상을 채용해도 된다. 또한, 적층 코어(20)로부터 접착층(22)을 취출하는 경우에는, 약 30질량％ 염산 수용액을 제작하고, 그 염산 수용액 중에 적층 코어(20)를 침지시켜, 강판(21)을 용해시킴으로써, 접착층(22)을 얻어도 된다. 침지 시간은, 강판(21)의 양·사이즈에 따라서 적절히 조정할 수 있다. 또한, 특히 적층 코어(20)가 큰 경우에는, 용해 반응을 촉진시키기 위해서, 도중에 염산 수용액을 교환해도 된다. 강판(21)이 모두 용해된 후에는 접착층(22)을 취출하여 세정한다. 세정 후, JIS K 7161-2:2014에 준거한 시험편으로 가공하고, 접착층(22)의 항복 응력을 평가한다. 적외선 분광법(FT-IR) 등을 사용하여 접착층(22)의 조성을 분석하고, 그 분석 결과를 사용하여 동일한 재료로 시험편을 제작해도 된다.

<로터(10)의 회전수와 외형 변위량의 관계>

로터(10)의 회전수와 외형 변위량의 관계에 대하여 확인하기 위해서, 모터를 준비하였다. 이 모터에는, 직경 162mm의 로터(10)를 내장하였다. 이 로터(10)는, 항복 응력 YP_R이 400MPa, 판 두께 0.25mm의 강판(21)과, 항복 응력 YP_B가 12MPa, 두께 2.5㎛의 접착층(22)을 적층한 적층 코어(20)를 갖는다. 또한 이하에 나타내는 각 시험에 있어서도, 동 사이즈의 로터(10)를 전제로 한다.

이 모터에 있어서, 로터(10)의 회전수를 0rpm으로부터 17000rpm까지 변화시켜, 로터(10)의 외형 변위량을 측정하였다. 이 외형 변위량은, 적층 코어(20)의 외연(20a) 중, 도 1에 도시한 바와 같은 특정 측정점 P에 대한 외형 변위량이다. 측정점 P는, 로터(10)의 외연(20a) 중, 상기 가상선 L과 교차하는 위치(브리지(23)의 일부)이다.

결과를 도 4에 나타낸다. 도 4의 횡축은, 로터(10)의 회전수를 나타낸다. 도 4의 종축은, 측정점에 있어서의 외형 변위량을 나타낸다. 도 4에 나타내는 바와 같이, 로터(10)의 회전수의 증가에 수반하여, 로터(10)의 직경 방향의 원심력이 증가하여, 로터(10)의 외형 변위량이 증가한다. 그리고, 특정 회전수(14000rpm)를 초과하면, 급격하게 로터(10)의 외형 변위량이 증가한다.

<응력 분포의 해석>

여기서, 외형 변위량의 급증의 요인에 대하여 검토하기 위해서, 본원 발명자는, 고속 회전 시의 브리지(23)에 발생하는 응력을 FEM 해석에 의해 정량화하였다.

강판(21)의 브리지(23)에 있어서의 미제스 응력 분포의 해석 결과를, 도 5 내지 도 10에 나타낸다. 도 5 및 도 6은, 로터(10)의 회전수가 14000rpm인 경우를 나타내고 있다. 도 7 및 도 8은, 로터(10)의 회전수가 15000rpm인 경우를 나타내고 있다. 도 9 및 도 10은, 로터(10)의 회전수가 16000rpm인 경우를 나타내고 있다.

도 5 내지 도 10에 있어서, 해치의 농담이 미제스 응력의 대소를 나타내고 있다(또한, 자석(30) 및 밀봉 수지(40)에도 해치를 부여하고 있지만, 자석(30) 및 밀봉 수지(40)에 있어서의 미제스 응력은, 윤곽 표시의 하한보다 작다). 미제스 응력이란, 물체의 내부에 발생하는 응력 상태를 단일의 값으로 나타내기 위해 사용되는 상당 응력을 말한다.

예를 들어, 도 5 및 도 6에서는, 강판(21) 상에 옅은 해치와 짙은 해치의 2종류의 해치가 나타나 있다. 이들 도면에 있어서, 옅은 해치는, 미제스 응력이 380MPa 미만인 것을 의미하고 있다. 짙은 해치는, 미제스 응력이 380MPa 내지 430MPa인 것을 의미하고 있다. 또한 이 로터(10)에 있어서, 강판(21)의 항복 응력 YP_R은 356MPa로 하고, 짙은 해치의 영역에서는 강판(21)이 확실하게 소성 변형되어 있다고 생각된다.

도 5 및 도 6의 해석 결과(14000rpm)와, 도 7 및 도 8의 해석 결과(15000rpm)와, 도 9 및 도 10의 해석 결과(16000rpm)를 비교하면, 회전수가 높아짐에 따라서, 해치가 짙은 영역, 즉, 미제스 응력이 크고, 소성 변형되어 있는 영역이 급증하고 있는 것을 알 수 있다.

상기 해석 결과로부터, 이 로터(10)에서는, 14000rpm을 초과한 회전수로 회전하면, 브리지(23)에 소성 변형이 발생하는 것이 확인되었다. 이 결과가, 도 4에 도시한 바와 같은, 14000rpm을 초과한 회전수로 회전하였을 때의 외형 변위량의 급증으로 이어졌다고 생각된다.

<응력 증가의 요인 분석>

전술한 바와 같은 응력의 증가의 요인에 대하여 검토하기 위해서, 로터(10)의 회전 전후에 있어서의 강판(21)의 형상에 대하여 고찰한다.

도 11에 도시한 바와 같이, 로터(10)가 회전하지 않을 때에는, 원심력이 작용하지 않고, 강판(21)은 연신되지 않는다.

한편, 도 12에 도시한 바와 같이, 로터(10)가 고속 회전할 때에는, 로터(10)의 직경 방향의 원심력이 증가하기 때문에, 강판(21)이 로터(10)의 직경 방향으로 연신된다(도 12 중의 파선). 이렇게 강판(21)이 연신되면, 강판(21)의 외주 부분의 판 두께가 감소한다. 그 결과, 응력 집중이 야기되어, 전술한 바와 같은 미제스 응력의 급증이 발생한다고 생각된다.

이상으로부터, 로터(10)의 회전수를 높였을 때, 적층된 강판(21)의 직경 방향의 연신을 억제함으로써, 로터(10)의 외형 변위량을 저감시킬 수 있다고 생각된다.

그리고 본원 발명자는, 그 방책으로서, 접착층(22)에 의해 강판(21)의 연신을 억제하는 방책을 생각하였다.

접착층(22)에 사용하는 접착제의 강도는, 통상 접착하는 대상물이 박리되는 경우의 강도(밀착력, 박리 강도)를 나타내는데, 본 실시 형태에 있어서는, 접착층(22)에 적층 방향 Z의 인장 응력이 발생하기는 하지만, 전단력이 극소이므로, 밀착력보다도, 접착층(22) 자체의 강도(인장 강도), 즉, 접착층(22)의 내부 변형을 억제하는 항복 응력 YP_B가 중요해진다.

접착층(22)의 내부 변형을 억제하는 항복 응력 YP_B가 높을수록, 적층된 강판(21)의 연신을 억제하는 효과가 커진다. 즉, 로터(10)의 직경 방향으로 인장 응력이 발생하였을 때, 접착층(22)이 강판(21)의 변형을 억제한다. 이에 의해, 로터(10)의 회전수가 높아져도, 로터(10)의 외형 변위량을 저감시키는 것이 가능해진다.

도 13은, 로터(10)의 회전수와, 접착층(22)에 발생하는 적층 방향 Z의 응력의 관계를 나타낸 그래프이다. 도 13의 횡축은, 로터(10)의 회전수를 나타낸다. 도 13의 종축은, 접착층(22)에 발생하는 응력을 나타낸다. 도 13에 나타내는 그래프선 중, 실선은 밀봉 수지(40)가 없는 경우를 나타내고, 파선은 밀봉 수지(40)(항복 응력: 12MPa)가 있는 경우를 나타내고 있다.

도 13에 나타내는 바와 같이, 로터(10)의 회전수의 증가에 수반하여, 접착층(22)에 발생하는 적층 방향 Z의 응력이 증가한다. 이 적층 방향 Z의 응력에 견딜 수 있는 접착층(22)을 갖는 적층 코어(20)로 함으로써, 적층된 강판(21)의 로터(10)의 직경 방향의 연신을 억제하여, 로터(10)의 회전수를 고회전으로 해도, 로터(10)의 외형 변위량을 저감시키는 것이 가능해진다. 또한 도 13으로부터, 밀봉 수지(40)가 있는 경우, 회전수가 16000rpm 이하인 범위에 있어서, 접착층(22)에 발생하는 응력이 저감되는 것도 알 수 있다.

<접착층(22)의 항복 응력>

접착층(22)의 항복 응력의 기준값은, 로터(10)의 회전수를 ω, 강판(21)의 항복 응력을 YP_R로 하였을 때, 하기 (3)식에 기초하여 계산할 수 있는 것을 발명자는 알아냈다. (3)식은, 상기 (1)식에 있어서의 우변이다. 접착층(22)의 강도는 상기 (1)식의 조건을 충족시킬 필요가 있다.

여기서, A=0.105, B=17000, C=17000, D=410, E=30

또한 예를 들어, 회전수가 17000rpm, 로터(10)의 직경이 162mm, 강판(21)의 판 두께가 0.25mm, 접착층(22)의 두께가 0.002mm인 경우, YP_R 및 YP_B의 각 값이 (1)식을 충족시킴으로써, 적층 코어(20)의 상기 최대 변위량이 목표값인 0.1mm 이하로 되는 것이, 실기를 사용한 검증에 의해 확인되었다.

<(1)식의 검증>

먼저, 로터(10)의 회전수와, 소성 변형이 발생하지 않는 강판(21)의 항복 응력 YP_R 및 접착층(22)의 항복 응력 YP_B의 관계를, FEM 해석을 사용하여 구하였다. 결과를 하기 표 1에 나타낸다.

표 1에 있어서, 표제열(선두열)은 강판(21)의 항복 응력의 YP_R(MPa)을 나타내고 있다. 표제행(선두행)은 로터(10)의 회전수(rpm)를 나타내고 있다. 각 셀 내의 값은, 당해 셀이 속하는 열의 표제행의 회전수로 로터(10)가 회전할 때이며, 또한 당해 셀이 속하는 행의 표제열의 강판(21)의 항복 응력 YP_R을 전제로 한 경우, 강판(21)이 소성 변형되지 않기 위해 필요한 접착층(22)의 항복 응력 YP_B(MPa)의 값을 나타내고 있다. 또한 공백셀은, 당해 셀에 해당하는 조건에서의 접착층(22)의 항복 응력 YP_B를 구하지 않은 것을 의미한다.

다음으로, 상기 (1)식으로부터 구한 상기 관계를, 하기 표 2에 나타낸다. 표 2의 관점은, 표 1과 마찬가지이다. 표 2에 있어서의 표 중의 각 값은, 상기 (1)식의 우변으로부터 구한 값을, 소수 첫째 자리에서 반올림한 값이다. 또한 표 2에서는, 표 1보다도 많은 경우에 대하여, 접착층(22)의 항복 응력 YP_B를 구하였다.

상기 표 1, 표 2의 각 값을 비교한 결과, 양자의 값의 차이가 작고, (1)식에 의해 FEM 해석의 결과를 근사할 수 있는 것이 확인되었다.

이와 같이, 외형 변위량의 급증은, 접착층(22)의 항복 응력의 조정, 및 강판(21)의 항복 응력의 조정 중 어느 것에 의해서도 실현할 수 있다.

<로터(10)의 설계 방법>

상기 로터(10)의 설계 시에는, 강판(21)의 항복 응력 및 접착층(22)의 항복 응력을 이하와 같이 설정한다. 즉, 상기 최대 회전수로 로터(10)가 회전하여, 자석(30)으로부터 적층 코어(20)에 원심력이 전달될 때, 강판(21)의 변형이 규제되도록(강판(21)에 발생하는 응력이 강판(21)의 항복 응력 YP_R에 이르지 않도록), 각 항복 응력을 설정한다. 구체적으로는, 각 항복 응력이 상기 (1)식 및 상기 (2)식을 충족시키도록, 각 항복 응력을 설정한다.

여기서 도 14의 그래프에, 상기 (1)식에 의해 얻어지는 경계선을 나타낸다. 도 14의 그래프의 횡축은, 강판(21)의 항복 응력 YP_R을 나타낸다. 도 14 중의 그래프선 중, 실선의 그래프선은, 회전수가 16000rpm인 경우에 있어서의 (1)식의 우변의 값((3)식)을 나타낸다. 파선의 그래프선은, 회전수가 17000rpm인 경우에 있어서의 (1)식의 우변의 값((3)식)을 나타낸다. 쇄선의 그래프선은, 회전수가 18000rpm인 경우에 있어서의 (1)식의 우변의 값((3)식)을 나타낸다.

각 회전수에 견딜 수 있는 적층 코어(20)로 하기 위해서는, 강판(21)의 항복 응력 YP_R 및 접착층(22)의 항복 응력 YP_B의 조합을, 도 14에 나타내는 각 회전수의 그래프선보다도 우측 상단의 영역에 포함되는 조합으로 할 필요가 있다. 바꾸어 말하면, 도 14에 나타내는 그래프선의 우측 상단의 영역에 포함되는 접착층(22)의 강도와 강판(21)의 강도의 조합에서는, 그 모든 조합이 각 회전수에 견딜 수 있다. 단, 강판(21)의 항복 응력 YP_R 및 접착층(22)의 항복 응력 YP_B의 조합을, 도 14에 나타내는 각 회전수의 그래프선보다도 좌측 하단의 영역에 포함되는 조합으로 한 경우, 로터(10)가 회전할 때, 로터(10)의 직경 방향을 향한 적층 코어의 외연의 최대 변위량이 0.1mm 초과가 되기 ‹š문에 바람직하지 않다. 또한, 우측 상단의 영역으로 하면 변형 강도는 상승시킬 수 있지만, 불필요한 고강도의 강판을 사용하게 되기 때문에, 펀칭 정밀도의 과제나 금형 마모에 의한 생산 저해 등이 발생하므로, 그래프선 상이 되도록 설계하는 것이 중요하다.

예를 들어, 17000rpm에 견딜 수 있는 로터(10)를 제작하는 경우에는, 강판(21)의 강도 360MPa와 접착층(22)의 강도 142MPa의 조합, 혹은 강판(21)의 강도 400MPa와 접착층(22)의 강도 52MPa의 조합을 선택한다.

<로터(10)의 제조 방법>

상기 설계 방법을 사용하여 설계된 로터(10)는, 공지된 제조 방법으로 제조할 수 있다. 예를 들어, 접착제를 사용한 로터(10)의 제조 방법은, 강판(21) 1매 1매에 접착제를 도포하는 방법, 함침 침지법, 테이프상으로 가공한 접착제를 사용하는 방법, 또한 금형 내 접착 방법 등이 제안되어 있다. 본 실시 형태에서는, 어느 제조 방법에 있어서도 제조 가능하며, 제조 방법에 대하여 한정되지 않는다.

이상 설명한 바와 같이, 본 실시 형태에 관한 로터(10)에 의하면, 11000rpm으로 로터(10)가 회전할 때, 로터(10)의 직경 방향을 향한 적층 코어(20)의 외연(20a)의 최대 변위량이 0.1mm 이하이다. 따라서, 자동차의 주행 시에 있어서의 최대 회전수(예를 들어, 11000rpm을 초과하는 회전수)로 로터(10)가 회전하였을 때라도, 로터(10)의 외형의 변형을 억제하여, 예를 들어 로터(10)가 스테이터에 접촉하는 것 등을 방지할 수 있다. 이에 의해, 모터의 파손을 억제할 수 있다.

또한, 본 실시 형태에 관한 설계 방법에 의해 설계된 로터(10)에 의하면, 자동차의 주행 시에 있어서의 최대 회전수로 로터(10)가 회전하여, 자석(30)으로부터 적층 코어(20)에 원심력이 전달될 때, 강판(21)이 직경 방향으로 변형되는 것을 접착층(22)이 억제하여, 강판(21)의 변형이 규제된다. 따라서, 자동차의 주행 시에 있어서의 최대 회전수로 로터(10)가 회전하였을 때라도, 로터(10)의 외형의 변형을 억제하여, 예를 들어 로터(10)가 스테이터에 접촉하는 것 등을 방지할 수 있다. 이에 의해, 모터의 파손을 억제할 수 있다.

그런데, 지금까지 접착층(22)에 대해서는, 접착 강도(인장, 압축, 전단, 90도 박리 등의 상황 하에서의 강판(21)과의 밀착력)에 의한 평가가 중용되어 왔다. 이러한 배경도 있어, 접착층(22)의 항복 응력에 기초하여 강판(21)의 변형을 규제한다는 기술적 사상은 존재하지 않았다. 강판(21)의 변형을 규제하기 위해서는, 실질적으로 고강도의 강판(21)을 사용하여 대응할 수밖에 없었다. 그 결과, 로터(10)가 고비용이 되어, 로터(10)의 제조가 곤란해지고 있었다. 특히, 강판(21)으로서 전자 강판(21)을 채용한 경우에는, 기본적인 특성(저철손, 고자속 밀도)에 더하여 고강도의 요구를 충족시킬 필요가 있다. 그 때문에, 성분 설계가 곤란해질 뿐만 아니라, 압연이나 어닐링 등의 각 프로세스에 있어서도 제조 조건이 제약되어 제조가 곤란해진다.

그래서 이 설계 방법에서는, 자동차의 주행 시에 있어서의 최대 회전수로 로터(10)가 회전하여, 자석(30)으로부터 적층 코어(20)에 원심력이 전달될 때, 강판(21)이 로터(10)의 직경 방향으로 변형되는 것을 접착층(22)이 억제하여 강판(21)의 변형이 규제되도록, (1) 강판(21)의 항복 응력, (2) 접착층(22)의 항복 응력을 설정한다. 즉, 강판(21)의 항복 응력뿐만 아니라, 접착층(22)의 항복 응력도 고려한다. 이에 의해, 강판(21)의 항복 응력이 어느 정도 낮은 경우라도, 접착층(22)의 항복 응력을 높임으로써, 강판(21)의 변형을 규제할 수 있다.

여기서, 강판(21)의 강도는, 높아지면 높아질수록 공급 서플라이어는 한정되고, 비용도 높아진다. 한편, 접착제의 강도는 비용과 대략 정상관이 있고, 또한 접착제에는 강도가 높아지면 높아질수록 높은 경화 온도가 요구되는 등, 제조 설비에 의한 제약도 있다.

이 설계 방법에서는, 전술한 바와 같이 강판(21)의 항복 응력뿐만 아니라 접착층(22)의 항복 응력을 고려함으로써, 비용뿐만 아니라 지역성, 시장성에 따른 최적의 강판(21) 및 접착제의 조합을 선정할 수 있다. 따라서, 품질면뿐만 아니라 제조면에서의 요구를 충족시키는 로터(10)를 제조하는 것이 가능하다.

이상, 구체적인 수식을 사용하여, 접착층(22)의 강도와 강판(21)의 강도의 관계를 규정하였지만, 본 발명에 있어서는 이러한 예에 한정되지 않는다. 본 발명이 속하는 기술의 분야에 있어서의 통상의 지식을 갖는 사람이라면, 특허 청구 범위에 기재된 기술적 사상의 범주 내에서, 수식의 변경을 포함하는 각종 변경예 또는 수정예에 상도할 수 있는 것은 명확하고, 이들에 대해서도 당연히 본 발명의 기술적 범위에 속하는 것이라고 이해된다.

예를 들어, 상기 실시 형태에 있어서의 로터(10)에서는, 2개 1조의 자석(30)이 하나의 자극을 형성하고 있지만, 본 발명은 이것에 한정되지 않는다. 하나의 자석(30)이 하나의 자극을 형성하고 있어도 되고, 3개 이상의 자석(30)이 하나의 자극을 형성하고 있어도 된다.

(1)식 및 (2)식이 충족되어 있지 않아도 된다.

밀봉 수지(40)가 없어도 된다. 제1 간극(25) 및 제2 간극(26)이 없어도 된다.

10: 로터
20: 적층 코어
20a: 외연
21: 강판
22: 접착층
23: 브리지
24: 관통 구멍
30: 자석
40: 밀봉 수지

Claims (9)

1. 자동차의 주행용의 모터에 내장되는 자석 매립식 로터이며,
   서로 적층된 강판, 및 적층 방향으로 인접하는 상기 강판을 접착하는 접착층을 갖는 적층 코어와,
   상기 적층 코어에 매립된 자석을 구비하고,
   상기 로터가 11000rpm으로 회전할 때, 상기 로터의 직경 방향을 향한 상기 적층 코어의 외연의 최대 변위량이 0.1mm 이하인, 로터.
2. 제1항에 있어서, 상기 강판의 항복 응력 YP_R이 150MPa 이상 580MPa 이하인, 로터.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 강판의 항복 응력을 YP_R(MPa)로 하고, 상기 접착층의 항복 응력을 YP_B(MPa)로 하고, 상기 자동차의 주행 시에 있어서의 최대 회전수를 ω(rpm)로 하였을 때,
   하기 (1)식을 충족시키는, 로터.
   

   

   
   여기서, A=0.105, B=17000, C=17000, D=410, E=30
4. 제3항에 있어서, 하기 (2)식을 더 충족시키는, 로터.
   0.1×YP_R≤YP_B≤10×YP_R · · ·(2)
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 자석은, 상기 적층 코어를 상기 적층 방향으로 관통하는 관통 구멍 내에 배치되고,
   상기 관통 구멍 내에는, 상기 자석의 외면과 상기 관통 구멍의 내면 사이를 밀봉하는 밀봉 수지가 마련되어 있는, 로터.
6. 자동차의 주행용의 모터에 내장되는 자석 매립식 로터의 설계 방법이며,
   상기 로터는,
   서로 적층된 강판, 및 적층 방향으로 인접하는 상기 강판을 접착하는 접착층을 갖는 적층 코어와,
   상기 적층 코어에 매립된 자석을 구비하고,
   상기 설계 방법에서는, 상기 자동차의 주행 시에 있어서의 최대 회전수로 상기 로터가 회전할 때, 상기 로터의 직경 방향을 향한 상기 적층 코어의 외연의 최대 변위량이 0.1mm 이하가 되도록, 상기 강판의 항복 응력 및 상기 접착층의 항복 응력을 설정하는, 로터의 설계 방법.
7. 제6항에 있어서, 상기 강판의 항복 응력을 YP_R(MPa)로 하고, 상기 접착층의 항복 응력을 YP_B(MPa)로 하고, 상기 최대 회전수를 ω(rpm)로 하였을 때,
   하기 (1)식을 충족시키도록 상기 강판의 항복 응력 YP_R 및 상기 접착층의 항복 응력 YP_B를 설정하는, 로터의 설계 방법.
   

   

   
   여기서, A=0.105, B=17000, C=17000, D=410, E=30
8. 제7항에 있어서, 하기 (2)식을 더 충족시키도록 상기 강판의 항복 응력 YP_R 및 상기 접착층의 항복 응력 YP_B를 설정하는, 로터의 설계 방법.
   0.1×YP_R≤YP_B≤10×YP_R · · ·(2)
9. 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 기재된 로터의 설계 방법을 사용하는, 로터의 제조 방법.

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