CN117981199A - 转子和电动机 - Google Patents

Abstract

本发明是具备由软磁性材料构成的主体和设置在主体的内部或外周部的永磁铁的转子。永磁铁是由磁铁粉末和使磁铁粉末粘结的粘合剂树脂构成的粘结磁铁。粘结磁铁含有相对于其整体为87～96质量％的磁铁粉末。磁铁粉末含有平均粒径为40～200μm的粗粉末和平均粒径为1～10μm的微粉末。粗粉末相对于粗粉末与微粉末的合计的质量比例为60～90质量％。粘合剂树脂含有热固性树脂。粘结磁铁在与主体的接合界面附近具有例如平均厚度为0.1～5μm的树脂层。粘结磁铁可与主体牢固地接合，因此能够实现转子的高速旋转。主体例如为IPM马达的转子铁芯。

Description

转子和电动机

技术领域

本发明涉及电动机的转子等。

背景技术

电动机(包括发电机在内也简称为“马达”)有各种类型。最近，伴随着逆变器控制的发达和高磁特性的稀土磁铁的普及，着眼于期望省电、高效率、高转矩或高输出的同步机。

同步机是在转子中具备永磁铁(励磁源)、在定子中具备电枢(绕组)的永磁铁励磁式马达。同步机是向绕组供给交流(AC)并根据在定子侧产生的旋转磁场来驱动转子的AC马达。同步机存在将永磁铁配设(嵌入)于转子内的内嵌磁铁型马达(也称为“IPM马达”)和将永磁铁配设于转子的外周面侧的表面磁铁型马达(也称为“SPM马达”)。

在配设于转子的永磁铁中，有使磁铁粉末烧结而成的烧结磁铁以及将磁铁粉末用粘合剂树脂保形(粘结、保持)而成的粘结磁铁。粘结磁铁与烧结磁铁相比，形状自由度更大、生产率也更优良，因此大多用作转子的励磁源。

在粘结磁铁中，还有将磁铁粉末与热塑性树脂的熔融混合物在腔室(转子铁芯的槽等)内进行注射成形而成的注射粘结磁铁以及将磁铁粉末与热固性树脂的混合物或混炼物在腔室内进行压缩成形而成的压缩粘结磁铁。压缩粘结磁铁与注射粘结磁铁相比，通常磁特性、耐热性优良。在下述专利文献中有这样的与以往的压缩粘结磁铁相关的记载。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第3731597号公报

专利文献2：日本特开2006-49554号公报

发明内容

发明所要解决的问题

上述专利文献只着眼于粘结磁铁的磁特性，关于粘结磁铁对可高速旋转的转子的强度、变形等带来的影响等没有任何提及。

本发明是鉴于这样的情况而完成的，目的在于提供以粘结磁铁作为励磁源、并且即使在高速旋转区域也不易变形的转子等。

用于解决问题的方法

本发明人为了解决上述问题进行了深入研究，结果发现，特定的粘结磁铁与软磁性体(转子的主体)强力结合，能够抑制高速旋转区域的转子的变形。通过发展该成果，完成了以下说明的本发明。

《转子》

(1)本发明是一种转子，其是具备由软磁性材料构成的主体和设置在该主体的内部或外周部的永磁铁的转子，其中，该永磁铁是由磁铁粉末和使该磁铁粉末粘结的粘合剂树脂构成的粘结磁铁，该粘结磁铁含有相对于其整体为87～96质量％的该磁铁粉末，该磁铁粉末含有平均粒径为40～200μm的粗粉末和平均粒径为1～10μm的微粉末，该粗粉末相对于该粗粉末与该微粉末的合计的质量比例为60～90质量％，该粘合剂树脂含有热固性树脂，该粘结磁铁接合于该主体。

(2)本发明的转子即使在高速旋转区域也不易变形，可有助于电动机的高速化、高输出化等。认为其理由是因为，本发明的粘结磁铁与由软磁性材料构成的主体(转子铁芯)牢固地接合。例如在IPM马达的情况下，本发明的粘结磁铁成为与设置在主体上的槽(磁铁孔)的内壁强力结合的状态。由此，即使在高速旋转下也能够维持粘结磁铁与主体的一体性。其结果是，即使在大的离心力起作用的情况下，转子的应力分布整体上也变低，还避免了在主体的一部分(例如位于槽的外周侧的桥接部附近)的应力集中等。这样，即使在高速旋转下也能够抑制转子(特别是主体)的变形、损伤等，进而能够实现电动机的高速旋转化、高输出化等。

《电动机》

本发明也被理解为具备上述转子的电动机。电动机可以具备与该转子对应的定子。需要说明的是，本说明书中所述的电动机(马达)包含发电机(generator)。

《其他》

只要没有特别说明，则本说明书中所述的“x～y”包含下限值x和上限值y。可以将本说明书中记载的各种数值或数值范围中所含的任意数值作为新的下限值或上限值而新设置“a～b”这样的范围。另外，只要没有特别说明，则本说明书中所述的“x～yμm”是指xμm～yμm。对于其他单位制(MPa、kA/m等)也是同样。

附图说明

图1A是示出接合强度测定用试验片和其制作中使用的模具的照片。

图1B是示出该试验片的拉伸试验装置和断裂后的试验片的照片。

图2是示出该试验片的接合强度与试验片的粘结磁铁中所含的磁铁粉末量的关系的图。

图3是将试验片(试样4)的接合界面附近放大(2万倍)后的观察图像。

图4是为了对在IPM马达用转子中产生的应力分布进行数值分析而使用的模型图。

图5A是基于该数值分析结果示出在转子中产生的最大主应力的最大值与其转速的关系的图和示出在转子中产生的最大主应力分布的等值线图(34000rpm时)。

图5B是基于该数值分析结果示出在转子内的粘结磁铁中产生的最大主应力的最大值与其转速的关系的图和示出在粘结磁铁中产生的最大主应力分布的等值线图(34000rpm时)。

图6是示出旋转测试时的转子(实物)的转速与其外径的变形量的关系的图。

具体实施方式

可以将从本说明书中记载的事项中任意选择的一个或两个以上构成要素附加到上述本发明的构成中。与制造方法有关的构成要素也可成为与产品有关的构成要素。哪个实施方式是最佳的，根据对象、要求性能等而不同。

《主体》

主体构成磁路的一部分，因此由软磁性材料构成。软磁性材料例如为由铁族元素(Fe、Co、Ni)构成的纯金属或合金。作为软磁性材料的代表例，有纯铁、铁合金(Fe-Si合金等)。

为了降低在电动机的运转中在主体中产生的涡流损耗(也简称为“铁损”)，主体优选电阻率(体积电阻率)大。例如，主体为由至少单侧表面进行了绝缘被覆的钢板(例如硅钢板)构成的电磁钢板的层叠体、由表面进行了绝缘被覆的软磁性粒子构成的压缩粉体等。通过高速旋转而大的离心力起作用的主体可以由电磁钢板的层叠体构成。其层叠方向可以为涡流被绝缘层隔断的方向(通常为旋转轴方向)。电磁钢板彼此的结合(层叠)可以通过铆接、粘接、紧固等中的任一种来进行。

被层叠的电磁钢板的厚度例如为0.1～1mm、0.2～0.7mm，进一步为0.3～0.5mm。如果使用过薄的电磁钢板，则相对地非磁性的绝缘层增加，磁阻、成本会增加。相反，如果使用过厚的电磁钢板，则涡流损耗增加，电动机的效率可能降低。需要说明的是，本说明书中所述的“钢”与Fe以外的合金元素(包含杂质元素)无关地包含硅钢、碳钢、纯铁等。在硅钢板的情况下，Si相对于钢整体例如含有0.5～7质量％，进一步含有2～4质量％。

《粘结磁铁》

(1)粘结磁铁由大量磁铁粒子和作为磁铁粒子以外的部分的树脂(包括橡胶、弹性体、各种添加剂等)构成。磁铁粒子的表面处理剂等包括在“磁铁粒子”内来考虑。在本说明书中，为了方便说明，不仅是作为粘结磁铁的原料的磁铁粒子的集合体，也将构成粘结磁铁本身的“大量磁铁粒子”称为“磁铁粉末”。

为了实现可高速旋转的转子的强度确保、变形抑制等，粘结磁铁本身也可以相对于粘结磁铁与主体的接合强度具有充分的强度。因此，粘结磁铁可以是成为裂纹等的起点的空孔等少而致密。

例如，粘结磁铁的相对密度可以为90％以上、95％以上，进一步可以为98％以上。相对密度的上限值为99.5％，进一步为100％。相对密度(ρ/ρ₀)以实际密度(ρ)相对于理论密度(ρ₀)的比(百分率)的形式求出。理论密度(ρ₀)由构成粘结磁铁的磁铁粉末和粘合剂树脂的各真密度以及它们的配合量求出。实际密度(ρ)由测定成形(进一步进行固化处理)后的粘结磁铁而得到的质量和体积求出。体积可以通过阿基米德法求出，但根据成形体的形状(尺寸)算出即可。

(2)磁铁粉末

磁铁粉末(磁铁粒子)可以含有平均粒径不同的粗粉末(粗粒子)和微粉末(微粒子)。由此，可以得到致密的粘结磁铁，实现其强度、磁特性的提高。

粗粉末的平均粒径例如为40～200μm，进一步为80～160μm。微粉末的平均粒径例如为1～10μm，进一步为2～6μm。本说明书中所述的平均粒径使用激光衍射式粒度分布测定装置(株式会社日本激光制造的HELOS)通过夫琅禾费法测定粉末(包含从粘结磁铁回收的磁铁粒子群)来确定。

粗粉末相对于粗粉末与微粉末的合计(或磁铁粉末整体)的质量比例例如为60～90质量％，进一步为75～85质量％。换言之，微粉末相对于该合计的质量比例例如为10～40质量％，进一步为15～25质量％。

磁铁粉末整体的质量比例是相对于粘结磁铁整体(磁铁粉末与粘合剂树脂的合计)例如为87～96质量％、88～95.5质量％、90～95质量％、91～94.5质量％，进一步为92～94质量％。

磁铁粉末量(简称为“磁铁量”)相对于粘结磁铁整体无论过少还是过多，粘结磁铁与主体的接合强度都可能降低。认为磁铁量过少时(树脂量过多时)，在接合界面附近形成厚的树脂层，容易在该树脂层发生聚集破坏。相反，认为磁铁量过多时(树脂量过少时)，在接合界面附近磁铁粒子与主体的接触增加，容易发生界面破坏。

粗粉末和微粉末可以使用各种磁铁粉末，各粉末的组成、制法等可以相同，也可以不同。粗粉末和微粉末中的至少一者可以是组成、制法、特性等不同的磁铁粉末的混合粉末。各粉末可以是各向同性磁铁粉末，也可以是各向异性磁铁粉末，还可以是它们的混合粉末。如果使用各向异性磁铁粉末，则粘结磁铁的磁特性提高，能够实现电动机的高输出化。

作为粗粉末的一例，有以Nd、Fe和B作为基本成分(必需成分或主要成分)的NdFeB系磁铁粉末。作为微粉末的一例，有以Sm、Fe和N作为基本成分的SmFeN系磁铁粉末、或者以Sm和Co作为基本成分的SmCo系磁铁粉末。作为微粉末(一部分)，可以使用进行了粒度调整的NdFeB系磁铁粉末。各粉末的一部分可以包含稀土磁铁粉末以外的磁铁粉末(铁氧体磁铁粉末等)。

需要说明的是，成为本说明书中所述的基本成分的元素的合计量通常相对于对象物(磁铁粒子)整体为80原子％以上、90原子％以上，进一步为95原子％以上。稀土磁铁粉末可以包含提高其矫顽力、耐热性等的元素(Dy、Tb等重稀土元素、Cu、Al、Co、Nb等)。

作为粗粉末的代表例，有经氢处理后的稀土(各向异性)磁铁粉末。氢处理主要伴随有基于吸氢的歧化反应(Hydrogenation-Disproportionation(氢化-歧化)/也简称为“HD反应”)和基于脱氢的再结合反应(Desorption-Recombination(解吸-再结合)/也简称为“DR反应”)。将HD反应和DR反应一并简称为“HDDR反应”。另外，将发生HDDR反应的氢处理简称为“HDDR(处理)”。

只要没有特别说明，则本说明书中所述的HDDR也包括作为改良型的d-HDDR(dynamic-Hydrogenation-Disproportionation-Desorption-Re combination，动态-氢化-歧化-解吸-再结合)。关于d-HDDR，例如在国际公开公报(WO2004/064085)等中有详细说明。

顺便提一下，磁铁粒子可以利用适合于粘合剂树脂的表面活性剂等进行表面处理。由此，能够提高磁铁粒子与树脂的结合性、软化或熔融后的树脂中的磁铁粒子的姿势变动性等。作为表面活性剂，例如有钛酸酯类偶联剂、硅烷类偶联剂。需要说明的是，表面活性剂层的厚度可以为约0.1μm～约2μm。

(3)粘合剂树脂

通过使粘合剂树脂包含热固性树脂，能够将粘结磁铁与主体牢固地接合。在本说明书中，只要没有特别说明，则将磁铁粉末(粒子)以外的区域(部分)称为粘合剂树脂(或简称为“树脂”)。“树脂”中含有例如主剂、固化剂、固化促进剂、脱模剂等。

热固性树脂有环氧树脂、酚醛树脂、三聚氰胺树脂、尿素树脂、不饱和聚酯树脂等。代表性的环氧树脂通常为预聚物与固化剂的混合物，通过基于环氧基的交联网化而发生固化。作为环氧树脂的预聚物，例如可以使用酚醛清漆型、双酚A型、双酚F型、联苯型、萘型、脂肪族型、缩水甘油胺型等。作为环氧树脂的固化剂，例如可以使用胺类、酚类、酸酐类。需要说明的是，热固性树脂可以是单液型。

(4)粘结磁铁可以具有适合于转子(电动机)的规格的特性(磁特性、耐热性、耐退磁性等)。例如，作为磁特性的一个指标的剩余磁通密度(Br)可以为0.70T(7.0kG)以上、0.72T(7.2kG)以上、0.74T(7.4kG)以上、0.76T(7.6kG)以上、0.78T(7.8kG)以上、0.80T(8.0kG)以上。另外，Hk例如可以为535kA/m以上、540kA/m以上，进一步可以为545kA/m以上。Hk以粘结磁铁的剩余磁通密度Br降低10％时的反向磁场的大小来求出。Hk是对于电动机中使用的粘结磁铁而言重要的耐反向磁场性或方形度的指标。

《转子》

转子是粘结磁铁与主体接合而成的。在粘结磁铁与主体的接合界面附近例如可以具有由粘合剂树脂构成的树脂层。树脂层的平均厚度例如为0.1～5μm、0.2～4μm、0.3～3μm、0.4～2μm，进一步为0.5～1.5μm。

如上所述，树脂层变厚时，容易在该树脂层发生聚集破坏。树脂层变薄时，磁铁粒子与主体直接接触，容易发生界面破坏。另外，树脂层可以是中断部位少、大致连续的。

需要说明的是，树脂层的平均厚度通过对接合界面的基于显微镜的观察图像进行分析而求出。例如，以在规定视野(6μm×4.5μm)内将主体表面与磁铁粒子表面的间隔沿着主体表面以0.1μm的刻度测定的值的算术平均值来求出(参照图3)。可以使用图像分析软件(ImageJ等)求出树脂层的平均厚度。

粘结磁铁与主体的接合强度例如可以大于作用于粘结磁铁(例如内周面侧(旋转轴侧))的最大主应力(进一步为其最大值)。虽然取决于转子的各要素、电动机的规格(转速等)，但硬要说的话，接合强度的下限值例如为10MPa、15MPa、20MPa，进一步为25MPa。接合强度的上限值越高越好，例如为55MPa、45MPa，进一步为35MPa。需要说明的是，粘结磁铁可以具有比上述最大主应力、接合强度足够大的拉伸强度。

转子可以是在其外周侧具有定子的内转子，也可以是在其内周侧具有定子的外转子。转子的磁极数、支撑结构等根据电动机的规格适当选择。

《电动机》

电动机可以是直流电动机，也可以是交流电动机。交流电动机例如为IPM马达或SPM马达。特别是具备在主体的内部粘结磁铁接合于由软磁性材料构成的主体的内嵌磁铁型转子的IPM马达适合于高速运转。该转子的最高转速例如可以为20000rpm以上、23000rpm以上、27000rpm以上，进一步可以为30000rpm以上。电动机例如可用作车辆、空调、家电产品等的驱动用马达。需要说明的是，粘结磁铁可以在其成形时(例如压缩一体成形时)一并与主体接合。

《转子的制造方法》

(1)转子例如通过在由软磁性材料构成的主体的内部或外周部成形出粘结磁铁而得到。在该成形时或成形后的热固化处理时，粘结磁铁与主体接合。主体的内部例如为IPM马达用转子铁芯的槽(磁铁孔)。槽的形态(形状、大小、配置、每一个磁极的槽数等)没有限制。主体的外周部例如为SPM马达用转子铁芯的外周表面或其附近区域。SPM马达的粘结磁铁例如为瓦状或环状。

(2)粘结磁铁原料

粘结磁铁原料例如为磁铁粉末与粘合剂树脂的混合粉末、熔融或软化的粘合剂树脂与磁铁粉末的混合物、将该混合物混炼而成的混炼物、由固化的混合物或混炼物构成的颗粒状的复合物、将复合物制成期望形状的预成形体等。

磁铁粉末与粘合剂树脂的混合、混炼根据粘合剂树脂的种类、配合例如加热至约40℃～约120℃、进一步约80℃～约100℃来进行。在使用进行氢处理而得到的磁铁粉末的情况下，该混合、混炼可以在不加压状态下一边加热一边进行。

预成形体由将混合粉末或复合物制成规定形态(形状、大小)而成的块体构成。预成形体可以为与粘结磁铁类似的形态，也可以为与粘结磁铁不类似的形态(能够投入腔室的细化的分割体等))。含有进行氢处理而得到的磁铁粉末的预成形体可以在低压(例如为2MPa以下，进一步为0.5MPa以下)下成形。

(3)成形工序

粘结磁铁例如通过在设置在主体的内部或外周部的腔室内对粘结磁铁原料进行加热、压缩而得到。

加热温度例如为120～200℃，进一步为130～170℃。加热温度过小时，粘合剂树脂的软化或熔融变得不充分。加热温度过大时，热固性树脂过早地固化。在任一种情况下，粘结磁铁与主体的接合强度都可能降低。

压缩力(成形压力)例如为8～70MPa、10～65MPa、15～60MPa、20～50MPa，进一步为30～40MPa。压缩力过小时，粘结磁铁的相对密度、强度可能降低。压缩力过大时，可能发生主体的变形等。需要说明的是，树脂量较多的粘结磁铁即使进行低压成形也致密，能发挥出高的强度、磁特性。

在粘结磁铁原料中含有各向异性磁铁粉末的情况下，可以在取向磁场中进行成形。取向磁场通常向与粘结磁铁原料的压缩方向交叉的方向(取向方向)施加。取向磁场的大小(腔室的内周面的磁通密度)例如为0.5～3T，进一步为1～2T。关于取向磁场的磁源，除了电磁铁以外，还可以使用稀土永磁铁。

热固性树脂的热固化处理(固化处理)可以在成形后进行。由此，粘结磁铁与主体的接合强度、粘结磁铁本身的强度、耐热性等能够提高。固化处理例如通过将粘结磁铁加热至130～250℃、进一步150～230℃来进行。固化处理例如通过将一体化的主体和粘结磁铁另行加热的分批处理来进行。

实施例

[第一实施例]

制作将粘结磁铁与铁芯(主体)接合而成的多个试验片，测定它们的接合强度。基于这些具体例，以下对本发明详细地进行说明。

《试样的制造》

(1)粘结磁铁原料

作为磁铁粉末，准备作为进行氢处理(d-HDDR)而制造的粗粉末的市售的NdFeB系各向异性磁铁粉末(爱知制钢株式会社制造的Magfine/Br：1.28T、iHc：1313kA/m、平均粒径：125μm)和作为微粉末的市售的SmFeN系各向异性磁铁粉末(住友金属矿山株式会社制造的SmFeN合金微粉C/Br：1.35T、iHc：875kA/m、平均粒径：3μm)。

作为粘合剂树脂，准备作为热固性树脂的环氧树脂(也称为“EP”)和作为热塑性树脂的聚苯硫醚树脂(也称为“PPS”)。

EP由将如下所示的各原料混炼而成的组合物构成。

主剂(日本化药株式会社制造的NC-3000L)：100质量份

固化剂(日本化药株式会社制造的GPH-65)：74质量份

固化促进剂(北兴化学株式会社制造的TPP-S)：3质量份

脱模剂(株式会社CERARICA NODA制造的巴西棕榈蜡)：2.6质量份

EP的软化点为60℃。还准备了没有配合上述脱模剂的EP(试样D2的粘接剂/参照表1)。

制备将磁铁粉末和粘合剂树脂以表1所示的比例配合、混合而成的粘结磁铁原料(试样1～7)。磁铁粉末由粗粉末和微粉末构成，将粗粉末相对于其合计量的质量比例(以体积比例计也大致同样)一并示于表1中。

磁铁粉末与粘合剂树脂的混合通过使捏合机低速旋转(10rpm)、在不加压状态下进行5分钟。此时，将捏合机的状态保持于90℃。这样，得到将磁铁粉末和粘合剂树脂熔融混合而成的复合物(熔融混合工序)。

(2)铁芯

准备模拟了转子铁芯的试验片用铁芯(仿造物)。铁芯由从电磁钢板(杰富意钢铁株式会社制造的无取向性电磁钢带20JNEH1200/厚度0.2mm)的层叠体切出的长方体(12.7mm×12.7mm×17.5mm)构成。层叠体是利用粘接剂将电磁钢板彼此接合而成的。层叠体的切出通过线切割进行，以使电磁钢板的层叠面在铁芯的端面(□12.7mm)显现。线切割后的铁芯端面平滑至看不到能够目视的凹凸的程度(表面粗糙度Ra：约1.6μm)。

(3)成形

准备图1A所示的在中央具有腔室(12.7mm×12.7mm×79mm)的模具。在该腔室内的两端侧分别配置铁芯。向该铁芯间(腔室的中央部/12.7mm×12.7mm×3mm)填充复合物，将其加热至约150℃后进行压缩成形(成形工序)。压缩力设定为约20MPa～约50MPa。

由此得到两铁芯和粘结磁铁压缩一体成形(嵌件成形)而成的长方体状的试验片(12.7mm×12.7mm×79mm)(参照图1A)。

(4)固化处理

将试验片(试样1～7)在大气中进行150℃×30分钟加热，使EP热固化后供于拉伸试验。

《比较试样的制造》

(1)如表1所示，还准备了注射以PPS作为粘合剂树脂的粘结磁铁原料(住友金属矿山制造的S5P-13MF)的熔融混合物而将粘结磁铁和铁芯一体成形的试验片(试样A1)。此时的注射压力设定为100MPa。

(2)还准备了将不含磁铁粉末的仅EP与铁芯压缩一体成形的试验片(试样B1)。此时的压缩压力设定为约几MPa。

(3)还准备了不进行一体成形而将另外准备的粘结磁铁(12.7mm×12.7mm×3mm)用粘接剂接合于铁芯的试验片(试样C1)。试样C1中使用进行了压缩成形的粘结磁铁(参照试样4)。试样C1中使用粘接剂A(汉高制造的LOCTITE4061)。

(4)还准备了不通过磁铁而用粘接剂将铁芯彼此直接接合的试验片(试样D1～D2/12.7mm×12.7mm×76mm)。试样D1、D2中，将EP用作粘接剂。但是，在试样D2中，使用不含上述脱模剂的EP。对任一种试验片都实施固化处理(参照试样1～7)，任一种EP也都进行热固化。

顺便提一下，对于任一种试样而言，粘接于铁芯的磁铁的厚度(试验片的延伸方向的长度)都设定为3mm、粘接层的厚度都设定为约5μm。粘接层的厚度通过千分尺来确认。

《测定和观察》

(1)拉伸试验

利用图1B所示的万能试验机(AUTOGRAPH，株式会社岛津制作所的AGS-J 5kN)抓持试验片的两铁芯部，对试验片施加单轴方向的拉伸载荷。将用试验片断裂时的测定载荷除以其截面积(12.7mm×12.7mm)而得到的值作为接合强度。将各试验片的接合强度汇总示于表1中。为了参考，将拉伸试验后发生了断裂的试验片的一例(试样4)也一并示于图1B中。另外，对于试样1～7，将其接合强度与磁铁粉末量的关系示于图2中。

(2)观察

对于接合强度大的试样4的试验片，通过扫描电子显微镜(SEM)观察粘结磁铁与铁芯的接合界面附近。将其观察图像示于图3中。图3中的黑色部分为粘合剂树脂(EP)。

在观察图像(视野：6μm×4.5μm)上施加0.1μm间隔的正交网格。网格的横轴沿着铁芯的接合界面设定。利用该网格，求出位于铁芯表面附近(接合界面附近)的树脂层的平均厚度。具体而言，以每0.1μm间隔测定从铁芯表面到磁铁粒子为止的纵轴方向的长度，求出其算术平均值。作为一例，试样4的树脂层的平均厚度为0.62μm。

《评价》

(1)接合强度

由表1和图2明显可知，磁铁粉末量(质量％/树脂量＝100-磁铁粉末量)在规定范围内时，粘结磁铁与铁芯的接合强度显著增加。

顺便提一下，将粘结磁铁为相同组成的试样4与试样C1进行比较可知，进行压缩一体成形的试样的接合强度远远大于用粘接剂进行接合的试样。由试样B1、试样D1、D2还明显可知，仅利用粘合剂树脂难以将铁芯彼此牢固地接合。

需要说明的是，“接合强度”是夹着粘结磁铁的铁芯间的拉伸强度(断裂载荷/公称截面积)，与铁芯间的破坏模式(界面破坏或聚集破坏)无关。

另外，模拟了使用全长为79mm(铁芯间：3mm)的试验片的上述拉伸试验，结果明显可知，在试验片中存在产生表1所示的接合强度的约1.5倍的应力的应力集中部。认为在拉伸试验中，以该应力集中部为起点，试验片发生了断裂。如果考虑这一点，认为粘结磁铁与主体的净接合强度(试样1～7)比表1所示的接合强度更大。

(2)树脂层

作为试样3～5以峰状表现出高的接合强度的理由，认为如图3所示在接合界面附近形成了适当厚度的树脂层。另一方面，在如试样1、2那样粘合剂树脂多的情况下，形成厚的树脂层，认为在该树脂层发生了聚集破坏。相反，在如试样6、7那样粘合剂树脂少的情况下，磁铁粒子与铁芯表面直接接触的树脂层的中断变多，认为发生了界面破坏。

顺便提一下，与铁芯间的树脂厚度为3mm而较厚的试样B1相比，该树脂厚度为约5μm而非常薄的试样D1的接合强度变得相当大。认为这也与在平均厚度为约0.1μm～约5μm的树脂层位于与铁芯(主体)的接合界面附近时表现出高接合强度的一个主要原因相关。

《考察》

以粘结磁铁作为励磁源的以往的IPM马达用转子是将粘结磁铁与转子铁芯注射一体成形而成的。这样的转子由于粘结磁铁与转子铁芯的接合强度小(参照试样A1)，因此最高转速受限。另一方面，对于将粘结磁铁与转子铁芯压缩一体成形而成的转子而言，粘结磁铁与转子铁芯的接合强度显著变大(参照试样3～5)，可期待最高转速的大幅增加。

《补充》

(1)粘结磁铁

对于试样1～7的粘结磁铁而言，单体的拉伸强度为约50MPa～约70MPa，与接合强度相比足够大。另外，粘结磁铁的相对密度为约98％，足够致密。

(2)铁芯

还制作了用由超硬合金的实心体(山合金工业株式会社制造的非磁性超硬NF-30(NA20))构成的铁芯置换由电磁钢板的层叠体构成的铁芯的试验片。需要说明的是，该铁芯的被接合面(□12.7mm)进行了镜面精加工。

使用该试验片，同样地进行上述拉伸试验。其结果可知，例如，与试样4同样地进行压缩一体成形而制作的试验片显示出与试样4相同程度的大的接合强度。由此认为铁芯的被接合面的性状(微细的凹凸、表面粗糙度等/参照图3)对接合强度带来的影响几乎没有或微弱。

(3)磁特性

使用直流BH示踪器(东英工业株式会社制造的TRF-5BH-25Auto)在常温下测定试样1～7的粘结磁铁单体的磁特性。供于测定的粘结磁铁在取向磁场(955kA/m)中进行加热压缩成形(150℃×10～50MPa)后，进行充磁(施加磁场：6T)。任一种粘结磁铁(特别是试样3～5)都显示出充分的磁特性。作为一例，相当于试样4的粘结磁铁为Br：0.80T、Hk：543kA/m。

[第二实施例]

针对粘结磁铁内嵌于铁芯中的IPM马达用转子，对由离心力产生的应力分布进行数值分析(模拟)。基于这样的具体例，以下对本发明进行详细说明。

《分析模型》

将数值分析中使用的转子的模型(平面1/6周期对称模型)示于图4中。该转子铁芯设定为大致圆筒状(外径：φ59.8mm×孔径：φ13mm×高度：45mm)。设置在转子铁芯中的槽为大致圆弧筒状(小半径：11.29mm×大半径：14.29mm×高度：45mm)，槽在径向上设为恒定(宽度：3mm)。此时，槽内壁的顶点P距旋转中心17.46mm。桥部的宽度(位于槽的外周端侧的转子铁芯的径向长度)设定为0.5mm。

转子铁芯由电磁钢板的层叠体构成，各电磁钢板的固定方法设定为铆接。电磁钢板设想为日本制铁株式会社制造的35H440(厚度0.35mm)，设定成密度：7.7g/cm³、杨氏模量：110GPa、泊松比：0.3。需要说明的是，电磁钢板的层叠张数设定为128张。

内嵌于转子铁芯中的粘结磁铁设想为试样4(表1)的粘结磁铁，设定成密度：5.5g/cm³、杨氏模量：4GPa、泊松比：0.3。粘结磁铁设定为与转子铁芯的槽相同的形状。

《数值分析》

针对粘结磁铁的外壁面与槽的内壁面结合(一体化)的转子的模型(也称为“模型1”)以及粘结磁铁的外壁面仅与槽的内壁面接触而未结合的转子的模型(也称为“模型C”)分别进行数值分析。此时，设定成约束条件：周向固定、摩擦系数：0.1、载荷：离心力、转速：8500rpm、17000rpm、25500rpm、34000rpm。分析软件使用达索系统株式会社制造的Abaqus2019。

《分析结果》

基于分析结果，将转速与在转子中产生的最大主应力的关系示于图5A中。同样，将转速与在粘结磁铁中产生的最大主应力的关系示于图5B中。各图中还一并示出了在转子或粘结磁铁中产生的最大主应力分布的一例(34000rpm)。需要说明的是，将图5A和图5B一并简称为“图5”。

《评价》

(1)转子

由图5A明显可知，在任一个模型中，都在转子铁芯的桥部产生最大应力。

在粘结磁铁结合于槽中的转子(模型1)中，即使转速增加，最大主应力也被抑制得较低。电磁钢板(硅钢板)的屈服应力为约320MPa(拉伸强度为约450MPa)，因此，如果是模型1的转子，则即使在高速旋转区域也不发生塑性变形。

另一方面，对于仅将粘结磁铁嵌插于槽中的转子(模型C)而言，最大主应力因转速的增加而急速增加。因此，模型C的转子在高速旋转区域发生了大的塑性变形。34000rpm时，如应力分布图中也出现的那样，转子向外周侧膨胀至在粘结磁铁的内周侧出现间隙的程度。

(2)粘结磁铁

由图5B明显可知，在任一个模型中，在粘结磁铁中产生的最大主应力都随着转速的增加而变大。另外，对于该最大主应力而言，模型1大于模型C。

不过，在模型1的情况下，即使在34000rpm时在粘结磁铁中产生的最大主应力也为约19MPa。在25500rpm时，该最大主应力为约11MPa。

《考察》

通过本实施例可知，只要粘结磁铁与转子铁芯的接合强度大于在粘结磁铁中产生的最大主应力，就能够维持模型1的状态，甚至在高速旋转区域也可抑制在转子中产生的最大主应力。例如，如果是以第一实施例所示的高的接合强度(试样4时为29.4MPa)使转子铁芯与粘结磁铁一体化而成的转子，则能够实现34000rpm以上(理论上为42000rpm以上)的高速旋转化。

顺便提一下，由图5B可知，在粘结磁铁本身产生的最大应力可能在顶点P附近产生。因此，第一实施例的试验片设定为将埋设于转子的粘结磁铁的大致中央沿径向切下的形状(图5B所示的虚线形状)。

[第三实施例]

将实际制作的IPM马达的转子供于旋转测试，评价其变形量。基于这样的具体例，以下对本发明进行详细说明。

《转子的制作》

制作三种转子1、C1、C2。转子铁芯的各要素设定为与第二实施例中示出的分析模型的各要素相同。

转子1是在槽中将粘结磁铁压缩一体成形而成的。该粘结磁铁的组成和制造条件与试样4(表1)同样。

转子C1是在槽中将粘结磁铁注射一体成形而成的。该粘结磁铁的组成和制造条件与试样A1(表1)同样。

转子C2是将另行注射成形的粘结磁铁插入槽中而成的。该粘结磁铁本身的组成和制造条件与试样A1(表1)大致同样，但该粘结磁铁仅插入槽中而未粘接。

《旋转测试》

(1)试验方法

将转子设置于空气涡轮式旋转测试仪(丸和电机株式会社制造)进行高速旋转。转速从0rpm开始以2000rpm/s的比例增加。到达规定的测定转速后，保持15秒钟后取出转子，测定其外径。测定转速设定为8000rpm、10000rpm、12000rpm、14000rpm、16000rpm、18000rpm、20000rpm、22000rpm、24000rpm、26000rpm、28000rpm。

(2)外径测定

关于转子的外径，沿着高度方向(旋转轴方向)在距上端侧5mm、22.5mm、40mm的三个部位进行测定。在各测定部位，在交叉的两个方向分别测定磁极中央(粘结磁铁的中心)附近的外径。将得到的外径的测定值(3×2个)的算术平均值作为各测定转速的外径值。将该外径值与初始(测试前)的外径值的差值作为各测定转速的外径变形量。将其结果汇总示于图6中。

《评价》

由图6明显可知，转子1即使高速旋转至28000rpm，其外径也没有变化，确认到未发生塑性变形。认为这是因为，粘结磁铁与转子铁芯(槽)牢固地接合，结果，作用于转子的离心力也被分散，避免了在桥部等的应力集中。

顺便提一下，粘结磁铁与转子铁芯的接合强度不充分的转子C1在20000rpm以上时塑性变形量急剧增加。此外，粘结磁铁与转子铁芯未接合的转子C2在10000rpm以上时塑性变形量急剧增加。

根据以上确认到，本发明的转子中，粘结磁铁与铁芯(主体)牢固地接合，能够实现高速旋转。

[表1]

粘合剂树脂…EP:环氧树脂(热固性树脂)/PPS:聚苯硫醚树脂(热塑性树脂)

粘接剂…A:L0CTITE4061(汉高制造)

Claims (9)

1.一种转子，其是具备由软磁性材料构成的主体和设置在该主体的内部或外周部的永磁铁的转子，其中，

该永磁铁是由磁铁粉末和使该磁铁粉末粘结的粘合剂树脂构成的粘结磁铁，

该粘结磁铁含有相对于其整体为87～96质量％的该磁铁粉末，

该磁铁粉末含有平均粒径为40～200μm的粗粉末和平均粒径为1～10μm的微粉末，该粗粉末相对于该粗粉末与该微粉末的合计的质量比例为60～90质量％，

该粘合剂树脂含有热固性树脂，

该粘结磁铁接合于该主体。

2.根据权利要求1所述的转子，其中，所述粘结磁铁在与所述主体的接合界面附近具有平均厚度为0.1～5μm的树脂层。

3.根据权利要求1或2所述的转子，其中，所述热固性树脂为环氧树脂。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的转子，其中，

所述粗粉末含有以Nd、Fe和B作为基本成分的NdFeB系磁铁粉末，

所述微粉末含有以Sm、Fe和N作为基本成分的SmFeN系磁铁粉末和/或以Sm和Co作为基本成分的SmCo系磁铁粉末。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的转子，其中，所述粘结磁铁是进行压缩成形而成的。

6.根据权利要求1～5中任一项所述的转子，其中，所述主体由电磁钢板的层叠体构成。

7.一种电动机，其具备权利要求1～6中任一项所述的转子和与该转子对应的定子。

8.根据权利要求7所述的电动机，其中，所述转子是在所述主体的内部将所述粘结磁铁压缩一体成形的内嵌磁铁型。

9.根据权利要求8所述的电动机，其中，所述转子的最高转速为20000rpm以上。