JP2003189516A

JP2003189516A - 永久磁石型ロータ

Info

Publication number: JP2003189516A
Application number: JP2001378260A
Authority: JP
Inventors: Toshiyasu Komatsu; 敏泰小松; Kazuo Asaka; 一夫浅香; Tomoaki Arakawa; 友明荒川
Original assignee: Honda Motor Co Ltd; Hitachi Powdered Metals Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd; Resonac Corp
Priority date: 2001-12-12
Filing date: 2001-12-12
Publication date: 2003-07-04

Abstract

(57)【要約】【課題】肉抜き形状の内側部材が外側部材に対し所望
の接合率以上で接合し、これによって強度の確保ならび
に軽量コンパクト化が図られるとともに、高出力かつ高
効率の永久磁石型ロータを提供する。【解決手段】焼結体からなる外側部材１と、この外側
部材１よりも低密度の焼結体からなる内側部材２とを焼
結接合し、外側部材１の外周に複数の永久磁石３を配置
する。内側部材２は放射状の径方向リブ２３を有する肉
抜き形状とする。各径方向リブ２３における内側部材２
の外輪部２２への接合部２５の総面積を、外側部材１と
内側部材２との焼結接合に要する所望の接合率以上とす
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ロータの外周部に
永久磁石を配置した永久磁石型ロータに係り、特にロー
タの磁気特性と強度を向上させる技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】電気自動車やハイブリッドカーに搭載さ
れる発電電動機に用いられる永久磁石型ロータには、高
性能の磁気特性と高い生産性が求められており、そのよ
うな永久磁石型ロータの材料としては、従来、珪素鋼板
が使用されている。この場合、ロータは、エンジンのシ
ャフトに締付け固定されるから、強固な締付けを行うた
めに強度の高いものでなければならない。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、珪素鋼
板は脆く強度が低いため、必要な強度を確保しようとす
ると何等かの補強策を講ずる必要が生じ、ロータが大き
くなって重量が嵩むとともに、強度が不足するためロー
タの軽量化のための肉抜きが行い難いという欠点があ
る。また、軽量化のため、ＪＩＳ規格のＳ４５Ｃ相当材
を用いてロストワックス等の鋳造手法により、肉抜き形
状を形成した例もある。しかしながら、Ｓ４５Ｃ材は炭
素量が多く磁気特性が不十分であるため、発電機として
の十分な機能が得られないという欠点がある。

【０００４】よって本発明は、強度の確保ならびに軽量
コンパクト化が図られるとともに、高出力かつ高効率を
達成することができる永久磁石型ロータを提供すること
を目的としている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、焼結体からな
る環状の外側部材と、この外側部材よりも低密度の焼結
体からなり、外周面が外側部材の内周面と接する内側部
材と、外側部材の外周面に周方向に間隔をおいて配置さ
れた複数の永久磁石とを備え、外側部材と内側部材とが
焼結接合されてなる永久磁石型ロータであって、内側部
材は、内輪部と、外周面が外側部材の内周面に接する外
輪部と、これら輪部を連結する放射状の複数の径方向リ
ブとを備え、各径方向リブにおける外輪部への接合部の
総面積が、外側部材と内側部材との焼結接合に要する所
望の接合率に応じたものであることを特徴としている。
ここで言う接合率とは、外側部材と内側部材との全接合
面に対する実際に両者が所定強度で焼結接合される接合
面の割合のことである。

【０００６】本発明のロータは、外側部材と内側部材と
を焼結接合させ、外側部材に永久磁石を配置して構成さ
れるものであり、内側部材が、当該ロータを取り付ける
相手部材（例えばエンジンのシャフト）に取り付けられ
る。ここで、永久磁石が配置される外側部材を、例え
ば、炭素量が少なく磁気特性に優れた純鉄系粉末による
焼結体とする一方、内側部材を、炭素量が多く強度の高
い鉄合金系粉末による焼結体とすることにより、磁気特
性に優れ、かつ強度が高いロータが得られる。すなわ
ち、内側部材が強度を受け持ち、外側部材が高い磁気特
性を発揮する構成とすることができる。内側部材は、内
輪部と、外輪部と、これら輪部を連結する放射状の複数
の径方向リブとを備えるものであり、径方向リブ間に空
間が形成された肉抜き形状となっているので、強度の向
上と相まって軽量コンパクト化が図られる。

【０００７】さて、本発明のロータにあっては、内側部
材と外側部材とが圧粉成形され、これら圧粉成形体を嵌
め合わせた状態で焼結することにより、両部材が焼結接
合されて一体化する。焼結接合の際、両部材には熱膨張
が生じるが、内側部材が外側部材よりも低密度であるこ
とから、熱膨張率は外側部材よりも内側部材の方が高
く、このため、内側部材の外周面が外側部材の内周面を
押圧する圧力が発生する。特に、内側部材の外輪部にお
ける径方向リブに対応する部分の外周面は、径方向リブ
の大きな体積膨張を受けるので、外側部材の内周面を押
圧する圧力が他の部分に比べて格段に高いものとなる。
このため、内側部材の径方向リブに対応する部分の拡散
接合が著しく進行し、この部分において外側部材と内側
部材とは強固に接合される。本発明では、このように強
固に接合される部分に対応する径方向リブの外輪部への
接合部の総面積が、外側部材と内側部材との焼結接合に
要する所望の接合率に応じたものに設定されているの
で、全体として両部材が強固に接合される。言い換える
と、両部材が確実に接合される箇所が径方向リブに対応
する箇所であると特定できるので、接合率を任意に設定
することができる。

【０００８】上記本発明に係る内側部材においては、径
方向リブの間に、外輪部に接して周方向に延びる周方向
リブが設けられている形態を含む。この形態によると、
外側部材との接合に寄与する内側部材の体積膨張部分
が、径方向リブのみならず周方向リブで補填される。す
なわち、径方向リブ間に設けられた周方向リブが、焼結
接合時に自身の体積に応じて熱膨張することにより、外
輪部の周方向リブに対応した部分も外側部材に強く密着
して接合される。したがって、外側部材と内側部材との
接合率を向上させることができ、しかも、接合部分の強
弱を周方向にバランスよく配置することができる。

【０００９】また、本発明では、上記周方向リブが径方
向リブ間の略中間部において体積が最大である形状を有
していることを好ましい形態としている。この形態によ
ると、径方向リブ間の略中間部で周方向リブの体積膨張
が最も大きくなるので、径方向リブによる接合部分との
バランスをとることができるとともに、接合率向上のた
めの重量増加を最小限に抑えることができる。

【００１０】さらに、本発明では、上記径方向リブが当
該ロータの周方向に対して傾斜していることを好ましい
形態としている。この形態によると、ロータが回転する
と径方向リブが周囲の空気を撹拌あるいは流動させ、そ
の空気の流れによりロータ自身が冷却される。これによ
って、熱上昇による発電性能の低下が抑えられる。

【００１１】次に、本発明は、焼結体からなる環状の外
側部材と、この外側部材よりも低密度の焼結体からな
り、外周面が外側部材の内周面と接する内側部材と、外
側部材の外周面に周方向に間隔をおいて配置された複数
の永久磁石とを備え、外側部材と内側部材とが焼結接合
されている永久磁石型ロータであって、内側部材の外周
部には、外側部材の内周面に接する複数のリブが周方向
に間隔をおいて形成されており、これらリブにおける外
側部材の内周面への総接触面積が、外側部材と内側部材
との焼結接合に要する所望の接合率に応じたものである
ことを特徴としている。

【００１２】この発明では、内側部材の外周面の複数の
リブが外側部材に直接接触して接合されており、リブ間
に空間が形成された肉抜き形状となっている。この場
合、焼結接合時には、リブが熱膨張してその外周面が外
側部材の内周面を押圧する圧力が発生することにより、
両部材は強固に接合される。この発明においては、外側
部材の内周面に接する内側部材の複数のリブの総接触面
積が、外側部材と内側部材との焼結接合に要する所望の
接合率に応じたものに設定されているので、全体として
両部材が確実に接合される。また、両部材が確実に接合
される箇所がリブの接合面であると特定できるので、接
合率を任意に設定することができる。

【００１３】なお、上記各発明における外側部材および
内側部材の材料に関して、ここで付記しておく。内側部
材の組成は、ＪＩＳ規格Ｚ２５５０に規定されるＳＭＦ
３種、４種または５種相当のものが適している。また、
外側部材としては、Ｃ含有量が０．３％以下で、残部Ｆ
ｅおよび不可避不純物の純鉄系焼結材料が適している。
また、この純鉄系焼結材料に、さらに、Ｓｉ：３．５質
量％以下、Ｐ：０．７質量％以下、Ｂ：０．３質量％以
下、Ｃｕ：３．０質量％以下のうち少なくとも１種以上
を含有する焼結材料も適している。

【００１４】また、本発明の永久磁石型ロータにおいて
は、外側部材と内側部材との接合強度を確保する上で、
焼結前の両部材の嵌め合い寸法差が隙間５μｍ以下の通
り嵌め、または締め代が、接合面の径の０．００２５倍
以内の締まり嵌めであると好適である。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施形態を説明する。（１）第１実施形態図１（ａ）は第１実施形態の永久磁石型ロータの平面
図、図１（ｂ）は図１（ａ）の１Ｂ−１Ｂ矢視断面図で
ある。図１において符号１は環状の外側部材、２は円筒
状の内側部材である。内側部材２は、内輪部２１と、外
周面が外側部材の内周面に接する外輪部２２と、内輪部
２１と外輪部２２とを同軸的に連結して一体化させる放
射状の複数の径方向リブ２３とから構成されている。径
方向リブ２３は径方向に延びており、周方向に等間隔を
おいて配置され、径方向リブ２３間が肉抜き部２４とし
て形成されている。径方向リブ２３における外輪部２２
への接合部（図１（ａ），（ｂ）の２５で示す部分）の
総面積は、外側部材１と内側部材２との焼結接合に要す
る所望の接合率（例えば６０％）以上に設定されてい
る。

【００１６】内側部材２の内輪部２１の中心には凹所２
６が形成され、その周囲が肉厚となっており、径方向リ
ブ２３は肉厚部２７とほぼ同じ高さ（軸方向の厚み）を
有している。肉厚部２７における凹所２６の開口側の端
面には、複数のネジ穴２８が周方向に等間隔をおいて形
成されている。これらネジ穴２８を利用して当該ロータ
は例えばトランスミッションに取り付けられる。なお、
図示は省略しているが、外側部材１の外周部には、複数
の永久磁石が等間隔をおいて固定されている。

【００１７】（２）第２実施形態図２（ａ）は第２実施形態の永久磁石型ロータの平面
図、図２（ｂ）は図２（ａ）の２Ｂ−２Ｂ矢視断面図で
ある。このロータも、上記第１実施形態のロータと同様
に、環状の外側部材１と円筒状の内側部材２とを備え、
内側部材２は、内輪部２１、外輪部２２および複数の径
方向リブ２３を有している。この場合、径方向リブ２３
は内輪部２１と同等の厚さを有し、外輪部２２の高さ
（軸方向長さ）は外側部材１のそれとほぼ同じであり、
径方向リブ２３間が肉抜き部２４として形成されてい
る。この実施形態においても、径方向リブ２３における
外輪部２２への接合部（図２（ａ）の２５で示す部分）
の総面積は、外側部材１と内側部材２との焼結接合に要
する所望の接合率（例えば６０％）以上に設定されてい
る。また、この実施形態では、径方向リブ２３間に、外
輪部２２と一体の周方向に延びる周方向リブ２９が形成
されている。そして、外側部材１の外周部には、複数の
永久磁石３が周方向に等間隔をおいて固定されている。

【００１８】上記第１および第２実施形態の永久磁石型
ロータは、次のようにして製造される。まず、外側部材
１の形状に純鉄系粉末を圧縮成形した外側部材圧粉体、
あるいはそれを焼結した外側部材焼結体を得、一方、内
側部材２２の形状に鉄系の合金粉末または混合粉末を圧
縮成形した内側部材圧粉体を得る。ここで、内側部材圧
粉体の密度は、外側部材圧粉体あるいは外側部材焼結体
の密度よりも低いものとする。次いで、これらを互いに
嵌め合わせて焼結し、焼結後、外側部材１の外周を適宜
に成形して永久磁石３を配置固定する。焼結工程におい
て、外側部材１と内側部材２との接合面には原子の拡散
が生じ、これによって両部材１，２が接合される。

【００１９】上記の永久磁石型ロータによれば、永久磁
石３が固定される外側部材１は、炭素量が少なく、した
がって磁気特性に優れた粉末による焼結体であり、一
方、内側部材２は、炭素量が多く強度の高い粉末による
焼結体であるから、磁気特性に優れ、かつ強度が高いも
のとなる。すなわち、内側部材２が強度を受け持ち、外
側部材１が高い磁気特性を発揮するのである。内側部材
２は、内輪部２１と、外輪部２２と、これらを連結する
放射状の複数の径方向リブ２３とを備えるものであり、
径方向リブ２３間に肉抜き部２４が形成されているの
で、強度の向上と相まって軽量コンパクト化が図られ
る。

【００２０】ここで、上記の焼結工程によって外側部材
１と内側部材２とが互いに接合する原理を詳述する。焼
結工程では両部材１，２に熱膨張が生じるが、内側部材
２が外側部材１よりも低密度であることから、熱膨張率
は内側部材２が外側部材１よりも高く、このため、内側
部材２の外周面が外側部材１の内周面を押圧する圧力が
発生する。

【００２１】特に、内側部材２の外輪部２２における径
方向リブ２３に対応する部分の外周面は、径方向リブ２
３の大きな体積膨張を受けるので、外側部材１の内周面
を押圧する圧力が他の部分に比べて格段に高いものとな
る。このため、内側部材２の径方向リブ２３に対応する
部分の拡散接合が著しく進行し、外側部材１と内側部材
２とは強固に接合される。そして、径方向リブ２３にお
ける外輪部２２への接合部２５の総面積が、外側部材１
と内側部材２との焼結接合に要する所望の接合率以上に
設定されているので、全体として両部材１，２が強固に
接合される。言い換えると、両部材１，２が確実に接合
される箇所が径方向リブ２３に対応する箇所であると特
定できるので、接合率を任意に設定することができる。

【００２２】次に、上記第２実施形態に特有の作用を説
明する。第２実施形態においては、内側部材２の各径方
向リブ２３の間に、外輪部２２に接して周方向に延びる
周方向リブ２９が形成されている。これによって外側部
材１との接合に寄与する内側部材２の体積膨張部分が、
径方向リブ２３のみならず周方向リブ２９で補填され
る。すなわち、周方向リブ２９が、焼結接合時に自身の
体積に応じて熱膨張することにより、外輪部２２の周方
向リブ２９に対応した部分も外側部材１に強く密着して
接合される。したがって、外側部材１と内側部材２との
接合率が向上し、しかも、接合部分の強弱を周方向にバ
ランスよく配置することができる。

【００２３】上記第１および第２実施形態では、径方向
リブ２３が周方向に対して傾斜している形態を採用する
ことができる。この形態によると、ロータが回転すると
径方向リブ２３が周囲の空気を撹拌あるいは流動させ、
その空気の流れによりロータ自身が冷却される。これに
よって、熱上昇による発電性能の低下が抑えられる。

【００２４】また、上記第２実施形態では、周方向リブ
２９が径方向リブ２３間の略中間部において体積が最大
である形状とすることが好ましい。この形状とするに
は、例えば幅（軸方向の厚さ）や高さ（径方向の長さ）
の変化が挙げられる。この形態によると、径方向リブ２
３間の略中間部で周方向リブ２９の体積膨張が最も大き
くなるので、径方向リブ２３による接合部分とのバラン
スをとることができるとともに、接合率向上のための重
量増加を最小限に抑えることができる。

【００２５】（３）第３実施形態次に、図３を参照して本発明の第３実施形態を説明す
る。図３は第３実施形態の永久磁石型ロータを示してお
り、図３（ａ）は図３（ｂ）の３Ａ−３Ａ矢視断面図、
図３（ｂ）は図３（ａ）の３Ｂ−３Ｂ矢視断面図であ
る。図３で符号１は環状の外側部材、符号２は内側部材
であり、これらはいずれも焼結体からなっている。内側
部材２は、図３（ｂ）に示すように、内周側のボス３０
と、外周側の環状部３１と、ボス３０と環状部３１とを
同軸的に連結して一体化させる円板部３２とから構成さ
れている。円板部３２はボス３０と環状部３１との厚さ
方向の中央に配され、その厚さはボス３０や環状部３１
よりも薄い。そして、外側部材１の外周部に、複数の永
久磁石３が周方向に等間隔をおいて固定されている。

【００２６】図３（ａ）に示すように、内側部材２の環
状部３１の外周には、外側部材１の内周面に接する複数
のリブ３２が周方向に間隔をおいて形成されており、リ
ブ３２間が肉抜き部３３として形成されている。そし
て、リブ３２における外側部材１の内周面への接合部
（図（ａ）の３４で示す部分）の総接触面積は、外側部
材１と内側部材２との焼結接合に要する所望の接合率
（例えば６０％）以上に設定されている。

【００２７】この第３実施形態のロータも、上記第１お
よび第２実施形態と同様に、内側部材２が外側部材１よ
りも低密度の焼結体からなり、両者は焼結接合されてい
る。第３実施形態では、内側部材２の環状部３１に形成
された複数のリブ３２の接合面３４が外側部材１の内周
面に直接接触して接合されている。焼結接合時には、リ
ブ３２が熱膨張してその接合面３４が外側部材１の内周
面を押圧する圧力が発生することにより、両部材１，２
は強固に接合される。そして、外側部材１の内周面に接
する内側部材２の複数のリブ３２の総接触面積（接合面
３４の総面積）が、外側部材１と内側部材２との焼結接
合に要する所望の接合率以上に設定されているので、両
部材１，２が確実に接合される。また、両部材１，２が
確実に接合される箇所がリブ３２の接合面３４であると
特定できるので、接合率を任意に設定することができ
る。

【００２８】

【実施例】次に、本発明の実施例を説明する。図１に示
した構造のロータにおいて、径方向リブの数はそのまま
で、厚さを変えることによって、その径方向リブの外輪
部への接合部の総面積を変えた３種類のロータを製造し
た。外側部材と内側部材とが確実に焼結接合される接合
率は、実験的に６０％と規定されており、３種類のロー
タの接合率は、２０％、６０％、７０％と設定した。こ
れらロータの外側部材と内側部材との接合面の状態を超
音波探傷装置（キャノン社製：Ｍ−５００）によって調
べた。

【００２９】図４は、周方向に沿った接合状態を超音波
探傷装置から出力させた接合強度分布データを示してお
り、左から順に、接合率が２０％、６０％、７０％のロ
ータである。図４において白い部分は拡散接合が十分に
進行して外側部材と内側部材との界面が存在しない強固
な接合部分であり、赤い部分は外側部材と内側部材との
界面が存在する接合強度が弱い部分である。この接合強
度分布データから接合部分（白い部分）の面積を測定し
たところ、接合率を２０％、６０％、７０％に設定した
ロータは、図４に示すように１８％、５９％、６９％で
あった。したがって、設定した接合率とほぼ同じ接合率
を示すことが確認された。

【００３０】このようにして外側部材と内側部材との接
合率に応じて外輪部に対する径方向リブの接合面積を設
定することにより、その接合率あるいはそれ以上の接合
率をもって肉抜き形状の内側部材を外側部材に接合させ
ることができる。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の永久磁石
型ロータによれば、肉抜き形状の内側部材を外側部材に
対し所望の接合率以上で接合させることができるので、
強度の確保ならびに軽量コンパクト化が図られるととも
に、高出力かつ高効率を達成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態の永久磁石型ロータで
あって、（ａ）はその平面図、（ｂ）は図１（ａ）の１
Ｂ−１Ｂ矢視断面図である。

【図２】本発明の第２実施形態の永久磁石型ロータで
あって、（ａ）はその一部断面平面図、（ｂ）は図２
（ａ）の２Ｂ−２Ｂ矢視断面図である。

【図３】本発明の第３実施形態の永久磁石型ロータで
あって、（ａ）は図３（ｂ）の３Ａ−３Ａ矢視断面図、
（ｂ）は図３（ａ）の３Ｂ−３Ｂ矢視断面図である。

【図４】実施例のロータにおける外側部材と内側部材
との接合強度分布データを示す写真である。

【符号の説明】

１…外側部材、２…内側部材、３…永久磁石、２１…内
輪部、２２…外輪部、２３…径方向リブ、２９…周方向
リブ、３２…リブ。

フロントページの続き (72)発明者浅香一夫千葉県松戸市稔台520番地日立粉末冶金株式会社内 (72)発明者荒川友明千葉県松戸市稔台520番地日立粉末冶金株式会社内Ｆターム(参考） 5H002 AA08 AA09 AB05 AB08 AC00 AD04 AE08 5H621 AA03 BB10 HH01 JK01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】焼結体からなる環状の外側部材と、この
外側部材よりも低密度の焼結体からなり、外周面が外側
部材の内周面と接する内側部材と、前記外側部材の外周
面に周方向に間隔をおいて配置された複数の永久磁石と
を備え、前記外側部材と前記内側部材とが焼結接合され
てなる永久磁石型ロータであって、前記内側部材は、内輪部と、外周面が前記外側部材の内
周面に接する外輪部と、これら輪部を連結する放射状の
複数の径方向リブとを備え、各径方向リブにおける前記
外輪部への接合部の総面積が、前記外側部材と前記内側
部材との焼結接合に要する所望の接合率に応じたもので
あることを特徴とする永久磁石型ロータ。
【請求項２】前記径方向リブの間に、前記外輪部に接
して周方向に延びる周方向リブが設けられていることを
特徴とする請求項１に記載の永久磁石型ロータ。
【請求項３】前記周方向リブは、前記径方向リブ間の
略中間部において体積が最大である形状を有することを
特徴とする請求項２に記載の永久磁石型ロータ。
【請求項４】前記径方向リブは、当該ロータの周方向
に対して傾斜していることを特徴とする請求項２または
３に記載の永久磁石型ロータ。
【請求項５】焼結体からなる環状の外側部材と、この
外側部材よりも低密度の焼結体からなり、外周面が外側
部材の内周面と接する内側部材と、前記外側部材の外周
面に周方向に間隔をおいて配置された複数の永久磁石と
を備え、前記外側部材と前記内側部材とが焼結接合され
てなる永久磁石型ロータであって、前記内側部材の外周部には、前記外側部材の内周面に接
する複数のリブが周方向に間隔をおいて形成されてお
り、これらリブにおける外側部材の内周面への総接触面
積が、前記外側部材と前記内側部材との焼結接合に要す
る所望の接合率に応じたものであることを特徴とする永
久磁石型ロータ。