JP2005269734A - Ｉｐｍモータ用ロータ、これを用いたｉｐｍモータ用ロータの製造方法、およびそのｉｐｍモータ。 - Google Patents

Abstract

【課題】焼結磁石をロータに挿入するタイプのＩＰＭモータでは磁石の寸法調整が必要であり、磁石挿入に手間がかかったのでこれを改善し、配向磁場と着磁磁場の強い磁気特性を有するボンド磁石式ＩＰＭモータ用ロータを得る。
【解決手段】 ボンド磁石１５を挿入するボンド磁石穴１３と、ボンド磁石穴１３に挿入されたボンド磁石１５を磁化するために配向磁場および着磁磁場を発生させるための磁極１６を挿入する磁極挿入穴１４と、ロータ１０の内部の形成し、着磁時に磁極挿入穴１４に磁極１６を挿入して、従来通り着磁させると、ロータ内部の磁極１６からも配向磁場と着磁磁場を発生させるため、ＩＰＭモータのトルクが向上し、高性能化が可能となった。
【選択図】 図３

Description

この発明は、永久磁石を用いたＩＰＭモータに関するもので、特にそのロータ、このロータを用いた製造方法、およびそのＩＰＭモータに関する。

ＩＰＭモータ（Ｉｎｔｅｒｉｏｒ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ：埋込み永久磁石形同期モータ）は、永久磁石をロータ内に埋め込んだものであるため、高速回転が可能であり、省エネ効果で注目されているモータである。１）ブラシがなく、小形・軽量でメンテナンスフリー、２）パワーコントロール範囲が広く、３）ロータからの発熱が少ないので高効率、４）高速域でも高トルクが得られる、などの特長を持っており、最近注目を浴びている（例えば、特許文献１参照）。
以下、図面を参照しながらＩＰＭモータの回転子の製作法について説明する。
ＩＰＭモータの回転子の製作法には２種類（図８と図９）がある。
図８は従来例１に係る、焼結磁石式ＩＰＭモータ用ロータの斜視図である。
図８において、８０は焼結磁石式ＩＰＭモータ用ロータ、８１はロータコア、８２はシャフト、８３は焼結磁石挿入孔、８５は焼結磁石である。
このようにロータコア８１には焼結磁石８５を挿入する焼結磁石挿入孔８３が設けられており、この焼結磁石挿入孔８３は焼結磁石８５を挿入したときに焼結磁石８５との間に隙間が生じないようタイトな寸法としてある。したがって、焼結磁石挿入孔８３に焼結磁石８５を挿入するのに、焼結磁石８５の寸法調整が必要であり、磁石の挿入に手間がかかるという欠点があった。

一方、上記の製造に時間がかかる欠点を解決する従来例２として、ボンド磁石を用いた射出成形法がある。
図９は従来例２のボンド磁石式ＩＰＭモータ用ロータの構成を示す図である。
図において、７０は従来例２に係るＩＰＭロータ、７１はロータコア、７２はシャフト、７３はボンド磁石を挿入するボンド磁石穴である。
このように、ロータコア７１にはボンド磁石７５を挿入するボンド磁石挿入孔７３が（図では４カ所に）設けられており、これらの各挿入孔７３にボンド磁石７５を射出する。そして、ボンド磁石７５の射出されたロータ７０を次に図１０に示す着磁装置にて着磁する。
図１０は図９のロータを着磁するＩＰＭモータ用ロータの製造工程図である。
図において、７０は従来例２に係るＩＰＭロータ、９０は着磁装置である。
着磁装置９０はヨーク９１上に互いに９０度隔てて円周上に配置された配向および着磁用ポール９２と各着磁用ポール９２を励磁する着磁コイル９３とを備え、この着磁装置９０の円筒状中空にロータ７０がそのボンド磁石７５とポール９２とが対向するように納められ、着磁コイル９３に電流を流すことで、磁束Ｆ，Ｆ’が発生し、磁束Ｆでボンド磁石７５に着磁が行われる。
しかしながら、磁束Ｆ’はボンド磁石７５をバイパスするのでボンド磁石７５の着磁に寄与しない。
このようにこの製作法では、配向磁場が弱く、狙った磁気特性がなかなか得られなかった。また、ＩＰＭモータのロータにおける着磁磁場が十分でないため、十分な磁気特性が得られなかった。
ＩＰＭモータ・ロータには、残留磁束密度が０．８Ｔ以上、最大エネルギ積が１1０ｋＪ／ｍ³以上必要とするが、このようにして得られた従来のＩＰＭモータではこのような数値は得られなかった。
特開２０００−１７５３８９号公報（第５頁、図６）

このように、従来のＩＰＭモータの製造方法では、焼結磁石挿入法では、ロータ内部に磁石を挿入することが難しく、また、これらの問題点を考慮したボンド磁石を用いた射出成形法においては、配向磁場と着磁磁場が弱くなり、磁気特性が低くなった。
本発明は、このような問題点を鑑みてなされたものであり、ボンド磁石を用い射出成形を採用してＩＰＭモータにおける磁石の挿入を容易にするとともに、配向磁場と着磁磁場を強くしてＩＰＭモータにおける配向が効率よく行えるようにでき、これにより従来と同等のトルクで、低コストのサーボモータを提供することを目的とする。

上記問題を解決するため，請求項１記載のＩＰＭモータ用ロータの発明は、ボンド磁石を挿入するボンド磁石穴と、該ボンド磁石穴に挿入されたボンド磁石を磁化するために配向磁場および着磁磁場を発生させるための磁極を挿入する磁極挿入穴と、を内部に形成したことを特徴とする。
請求項２記載の発明は、請求項１記載のＩＰＭモータ用ロータにおいて、前記磁極挿入穴を前記ボンド磁石穴よりも前記ロータの中心に近い方向に配置したことを特徴とする。
請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載のＩＰＭモータ用ロータにおいて、前記磁極挿入穴の形状が、ロータ軸に直角な方向を通る断面で見て、弓形、四角、半円、円のいずれか１つ以上であることを特徴とする。
請求項４記載のＩＰＭモータ用ロータの製造方法の発明は、請求項１〜３のいずれか１項記載のＩＰＭモータ用ロータを用い、前記ボンド磁石穴に前記ボンド磁石を射出成形機により挿入したことを特徴とする。
請求項５記載のＩＰＭモータ用ロータの製造方法の発明は、請求項１〜３のいずれか１項記載のＩＰＭモータ用ロータを用い、前記ボンド磁石穴に前記ボンド磁石を挿入し、前記磁極挿入穴に磁極を挿入して前記ボンド磁石を磁化することで永久磁石を得ることを特徴とする。
請求項６記載のＩＰＭモータの発明は、軸方向に円筒状の空間を有するステータと、該ステータの該円筒状空間内に空隙を介して挿入される請求項４又は５記載の製造方法で製造されたＩＰＭモータ用ロータと、を備えて成ることを特徴とする。

上記のような構成により、永久磁石を使用したＩＰＭモータにおいて、ロータ内部に配向磁場と着磁磁場を発生させるための磁極を挿入する磁極挿入穴を形成し、これを用いることで配向と着磁を行うための磁場の発生源を確保することができるので、ロータ内部における配向磁場と着磁磁場の発生源がない状態で製造が行われていた従来法と比べて、ＩＰＭモータを高性能化することができる。
また、ロータ内部に配向磁場と着磁磁場を発生させるための磁極挿入穴を磁石よりロータの中心に近い方向に配置することで、さらに高性能のＩＰＭモータの製造することができる。
また、磁極挿入穴の形状を弓形、もしくは円、半円、四角にすることでも、高性能のＩＰＭモータを製造することができる。
また、ＩＰＭモータの製造にボンド磁石を用いた射出成形機を用いることにより、簡単に高性能のＩＰＭモータを製造することができる。

以下、本発明の具体的実施例について、図に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明の実施例２に係るＩＰＭモータ用ロータの構成を示す図である。
図において、１０は実施例１に係るＩＰＭロータ、１１はロータコア、１２はシャフトで、１３はボンド磁石を挿入するボンド磁石穴である。
そして、１４は本発明によって設けられた磁極挿入穴で、ロータ内部に配向磁場と着磁磁場を発生させるための磁極を挿入するのに用いられ、ここでは弓形の磁極挿入穴となっている。
ロータコア１１は珪素鋼板を積層して全体を円筒形に形成して成り、最終的に永久磁石となるボンド磁石が挿入されるボンド挿入穴１３がこの表面近くに（図では４カ所に）あけられている。
実施例１に係るＩＰＭロータ１０が図９のＩＰＭロータ１０と比べて唯一異なっているのは、図１には弓形の磁極挿入穴１４を設けている点である。

図２は、図１のようなロータを着磁するのに用いられる着磁装置の軸に直角な方向に切った断面図である。
図において、９０は着磁装置、９１は着磁ヨーク、９２は着磁ポール、９３は着磁コイルである。着磁装置９０は珪素鋼板の着磁ヨーク９１を積層して全体を円筒形に形成して成り、その中心は円筒状の中空となっている。そして、着磁ヨーク９１の円周から中央に向けて磁極を形成するポール９２が（図では４本）延び、各ポール９２には着磁コイル９３が巻回されている。着磁コイル９３に所定の方向に通電することで、各ポール９２にはそれぞれ交互にポール内側からポール外側に向かって、又はその逆方向に磁界が発生するようになっている。

図３は本発明の実施例１に係る図１のロータを着磁するＩＰＭモータ用ロータの製造工程図である。
図において、図１および図２と同じ符号は同一部分を指しているので、重複説明は省略する。１５はボンド磁石穴１３に挿入されたボンド磁石で、１６は本発明によって設けられた磁極挿入穴１４に挿入された磁極（磁石）である。
このように、図１のロータ１０のボンド磁石穴１３にボンド磁石１５を挿入している。ボンド磁石としてはナイロン樹脂を配合した異方性ＳｍＦｅＮボンド磁石を用いることができる。ボンド磁石穴１３へのボンド磁石１５の挿入は、射出成形機により行うのが、ボンド磁石穴１３の隅々までボンド磁石１５が速く簡単に行き渡るので好ましい。そして、磁極挿入穴１４に磁極１６を挿入しているのが本発明の特徴である。磁極１６の向きは着磁時にここの近傍を通過する磁束の方向と一致するように合わせる。磁極挿入穴１４と磁極１６との間にはクリアランスがあって差し支えないので、その製造および挿入は簡単に行うことができる。
このようにして挿入が完了したロータ１０を図２の着磁装置９０の円筒状中空に挿入し、着磁コイル９３に所定の方向に通電することで、ボンド磁石１５に着磁が行われる。

図４は本発明の実施例１に係る図１のロータに形成される磁束Ｆの方向を示す図である。図において、１つのポール９２を外から内側に通過した磁束Ｆは、磁極１６に引き寄せられるので、必然的にその途中にあるボンド磁石１５を通過することとなり、ほとんどの磁束Ｆはボンド磁石１５の磁化に寄与することができる。ここには、図９のような、ボンド磁石１５を通らずにポール９２から隣接のポール９２にバイパスする磁束Ｆ’は存在しない。したがって、従来のＩＰＭモータと比べて、高性能のＩＰＭモータを製造することができる。

このように製造したボンド磁石の特性を表１に示す。
表１において、実施例１によれば、ボンド磁石の残留磁化Ｂｒ（Ｔ）、保磁力（ｉＨｃ）（ｋＡ／ｍ）、最大エネルギ積（ＢＨｍａｘ）（ｋＪ／ｍ³）は、
それぞれ、
（１）ボンド磁石の残留磁化Ｂｒ（Ｔ）＝０．８１、
（２）保磁力（ｉＨｃ）（ｋＡ／ｍ）＝７５６、
（３）最大エネルギ積（ＢＨｍａｘ）（ｋＪ／ｍ³）＝１１５、であった。

ここで、比較例として従来例２と比較する。
比較例１は、従来実施していた図９により製造した、異方性ＳｍＦｅＮボンド磁石を搭載したＩＰＭモータである。
ボンド磁石の残留磁化、保磁力、最大エネルギ積は、
それぞれ、
（１）ボンド磁石の残留磁化Ｂｒ（Ｔ）＝０．６０、
（２）保磁力（ｉＨｃ）（ｋＡ／ｍ）＝７５０、
（３）最大エネルギ積（ＢＨｍａｘ）（ｋＪ／ｍ³）＝６０、であった。

表１から判るように、従来例２のロータの内部には磁束を発生させる磁極がなく、配向と着磁が不十分なため、残留磁化、最大エネルギ積がともに低いのに対して、実施例１によれば、ボンド磁石の残留磁化、最大エネルギ積が向上しており、これによってＩＰＭモータのトルクが向上し、高性能化が可能となることが判る。

図５は、本発明の実施例２に係るＩＰＭモータ用ロータの構成を示す図である。
図において、図１および図２と同じ符号は同一部分を指しているので、重複説明は省略する。２０は実施例２に係るＩＰＭモータ用ロータ、１４１は実施例２によって設けられた実施例１と同じ弓形の磁極挿入穴で、実施例１との違いは実施例１よりもよりシャフト１２の中心の方に移動させた点が特徴で、その他は同一である。

図５のロータ２のボンド磁石穴１３にボンド磁石１５を射出成形機により挿入し、そして、磁極挿入穴１４１に磁極１６を挿入し、その後、ロータ２０を図２の着磁装置９０の円筒状中空に挿入し、着磁コイル９３に所定の方向に通電することで、図６に示す方向に磁束が流れ、ボンド磁石１５が効率よく着磁される。

図６は実施例２に係るロータ２０に形成される磁束Ｆの方向を示す図である。図において、１つのポール９２を外から内側に通過した磁束Ｆは、磁極１６に引き寄せられるので、必然的にその途中にあるボンド磁石１５を通過することとなる。いまの場合、磁極１６はシャフト１２の近傍にあるので、ほとんどの磁束Ｆはシャフト１２の近傍まで進んでから方向を変えるため、ボンド磁石１５の端よりも中心側を通過することとなり、表１に示すような結果が得られた。

表１において、実施例２によれば、
（１）ボンド磁石の残留磁化Ｂｒ（Ｔ）＝０．８７、
（２）保磁力（ｉＨｃ）（ｋＡ／ｍ）＝７６６、
（３）最大エネルギ積（ＢＨｍａｘ）（ｋＪ／ｍ³）＝１２５、であった。

このように、実施例１よりもボンド磁石の残留磁化、最大エネルギ積がさらに向上していることが判る。したがって、ＩＰＭモータのトルクがさらに向上し、更なる高性能化が可能となった。

図７は、本発明の実施例３に係るＩＰＭモータ用ロータの構成を示す図である。
図において、図１および図２と同じ符号は同一部分を指しているので、重複説明は省略する。３０は実施例３に係るＩＰＭモータ用ロータ、１４２は実施例３によって設けられた四角の磁極挿入穴である。実施例１との違いは実施例１では磁極挿入穴が弓形の形状であったのに対して、ここでは四角の磁極挿入穴とした点が特徴で、その他は同一である。磁極挿入穴１４２の形状を四角にすることで穴の製造、および磁極の製造が実施例１と比べて極めて容易となり、生産性が向上した。それにも関わらず、実施例３によって製造したボンド磁石の残留磁化、最大エネルギ積は、表１に示すように、実施例１と比較して遜色無いことが判る。

表１において、実施例３によれば、
（１）ボンド磁石の残留磁化Ｂｒ（Ｔ）＝０．８１（実施例１も０．８１）、
（２）保磁力（ｉＨｃ）（ｋＡ／ｍ）＝７５３、（実施例１は７５６）、
（３）最大エネルギ積（ＢＨｍａｘ）（ｋＪ／ｍ³）＝１１５（実施例１も１１５）、であった。
したがって、このようにしても、ＩＰＭモータのトルクが向上し、高性能化が可能となることが判った。

なお、本発明に係る磁極挿入穴の形状は、上記弓形と四角に限定されるものではなく、その他、半円、円でもよい。要は、ロータ１１の内部に磁束発生させる磁極が挿入される穴であれば、どれでもよい。

このように本発明によって製造されたロータ１０〜３０を、従来と同じ手法で製作されたステータの中心にある円筒状空間に挿入すれば、集中巻方式のブラシレスＤＣモータを構成することができ、高速回転が可能で、省エネ効果の大きい、ブラシのない、小形・軽量でメンテナンスフリーで、パワーコントロール範囲が広く、ロータからの発熱が少ない高効率で、高速域でも高トルクが得られるモータが得られる。

上記のように、永久磁石を使用したＩＰＭモータにおいて、ロータ内部に配向磁場と着磁磁場を発生させるための磁極を挿入する磁極挿入穴を形成し、これを用いることで配向と着磁を行うための磁場の発生源を確保することができるので、ロータ内部における配向磁場と着磁磁場の発生源がない状態で製造が行われていた従来法と比べて、ＩＰＭモータを高性能化することができた。
また、ロータ内部に配向磁場と着磁磁場を発生させるための磁極挿入穴を磁石よりロータの中心に近い方向に配置することで、さらに高性能のＩＰＭモータの製造することができた。
また、磁極挿入穴の形状を弓形、もしくは円、半円、四角にすることでも、高性能のＩＰＭモータを製造することができた。
また、ＩＰＭモータの製造にボンド磁石を用いた射出成形機を用いることにより、簡単に高性能のＩＰＭモータを製造することができた。

本発明の実施例２に係るＩＰＭモータ用ロータの構成を示す図である。 ロータを着磁するのに用いられる着磁装置の軸に直角な方向に切った断面図である。 本発明の実施例１に係る図１のロータを着磁するＩＰＭモータ用ロータの製造工程図である。 本発明の実施例１に係る図１のロータに形成される磁束Ｆの方向を示す図である。 本発明の実施例２に係るＩＰＭモータ用ロータの構成を示す図である。 本発明の実施例２に係るロータ２０に形成される磁束Ｆの方向を示す図である。 本発明の実施例３に係るＩＰＭモータ用ロータの構成を示す図である。 焼結磁石を挿入して成る従来例１のＩＰＭモータ用ロータの構成を示す図である。 ボンド磁石を射出成形して成る従来例２のＩＰＭモータ用ロータの構成を示す図である。 図９のロータを着磁するＩＰＭモータ用ロータの製造工程図である。

符号の説明

１０ 実施例１に係るＩＰＭモータ用ロータ
２０ 実施例２に係るＩＰＭモータ用ロータ
３０ 実施例３に係るＩＰＭモータ用ロータ
１１ ロータコア
１２ シャフト
１３、１５ ボンド磁石穴
１４ 実施例１の磁極挿入穴
１４１ 実施例２の磁極挿入穴
１４２ 実施例３の磁極挿入穴
１６ 磁極挿入穴に挿入された磁極（磁石）
９０ 着磁装置
９１ 着磁ヨーク
９２ 着磁ポール
９３ 着磁コイル
Ｆ 磁束の通路

Claims (6)

1. ボンド磁石を挿入するボンド磁石穴と、該ボンド磁石穴に挿入されたボンド磁石を磁化するために配向磁場および着磁磁場を発生させるための磁極を挿入する磁極挿入穴と、を内部に形成したことを特徴とするＩＰＭモータ用ロータ。
2. 前記磁極挿入穴を前記ボンド磁石穴よりも前記ロータの中心に近い方向に配置したことを特徴とする請求項１記載のＩＰＭモータ用ロータ。
3. 前記磁極挿入穴の形状が、ロータ軸に直角な方向を通る断面で見て、弓形、四角、半円、円のいずれか１つ以上であることを特徴とする請求項１又は２記載のＩＰＭモータ用ロータ。
4. 請求項１〜３のいずれか１項記載のＩＰＭモータ用ロータを用い、前記ボンド磁石穴に前記ボンド磁石を射出成形機により挿入したことを特徴とするＩＰＭモータ用ロータの製造方法。
5. 請求項１〜３のいずれか１項記載のＩＰＭモータ用ロータを用い、前記ボンド磁石穴に前記ボンド磁石を挿入し、前記磁極挿入穴に磁極を挿入して前記ボンド磁石を磁化することで永久磁石を得ることを特徴とするＩＰＭモータ用ロータの製造方法。
6. 軸方向に円筒状の空間を有するステータと、該ステータの該円筒状空間内に空隙を介して挿入される請求項４又は５記載の製造方法で製造されたＩＰＭモータ用ロータと、を備えて成ることを特徴とするＩＰＭモータ。

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