JP2006304547A - 永久磁石埋め込み式モータのロータとその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】永久磁石の温度上昇を低減させ、モータ効率を上げる。
【解決手段】ロータ１０は、ロータコア１２と、ロータコア１２に形成された収容孔１４に固定される永久磁石１６と、を有する。永久磁石１６の表面には、断熱層１８が形成されて、永久磁石１６と収容孔１４の隙間に充填剤２０が充填され、永久磁石１６が収容孔１４に固定されている。この断熱層１８は、ロータコア１２の製造時、製造後のモータの駆動時において、永久磁石１８の温度上昇を抑えることができる。これにより、モータ効率を向上させることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、永久磁石埋め込み式モータのロータとその製造方法に関し、永久磁石の温度上昇の改良に関する。

従来から、ロータコアの軸方向に沿って複数の収容孔を形成し、この収容孔に永久磁石を固定した永久磁石埋め込み式モータのロータが知られている。図５は、従来の永久磁石埋め込み式モータのロータの平面図である。図５に示すように、電磁鋼板の積層体で構成されたロータコア５０の軸方向に沿って、複数の収容孔５２が形成され、各収容孔５２に永久磁石５４が配置される。車両用のモータとしては、永久磁石５４には、ネオジウム磁石が用いられる。

永久磁石５４と収容孔５２との間隙には、充填剤５６、例えば樹脂が充填されて、ロータコア５０と永久磁石５４が固定される。ロータコア５０と永久磁石５４の固定工程においては、樹脂が約１４０℃〜２００℃に加熱され軟化されると共に、ロータコア５０、永久磁石５４が樹脂と同じ温度に予備加熱される。ロータコア５０、永久磁石５４、充填剤５６が加熱された状態で、収容孔５２に永久磁石５４が配置されると共に、収容孔５２と永久磁石５４との間隙に充填剤５６が充填されて、充填剤５６が冷却し永久磁石５４がロータコア５０に固定される。

下記特許文献１には、複数の永久磁石と保持環との間に断熱材を介装し、保持環を焼き嵌めて永久磁石を回転子ヨークに保持させることが開示されている。

特開平８−２７５４７０号公報

図６は、電磁鋼板とネオジウム磁石の熱膨張特性を示すグラフである。ネオジウム磁石については、縦方向（図５で矢印Ａ方向）と横方向（図５で矢印Ｂ方向）の熱膨張特性が示されている。図６から解るように、固定工程における約１４０℃〜２００℃の加熱温度で、ロータコア５０と永久磁石５４の横方向Ｂでは互いに異なる熱膨張特性を示す。すなわち、ロータコア５０は膨張し、永久磁石５４の横方向Ｂは収縮する。特に、図５に示したように、永久磁石５４の側面付近の収容孔５２は、大きな隙間が形成されるので、加熱時の永久磁石５４の収縮によって、収容孔５２には余分な充填剤５６が充填される。加熱した状態から冷却されると、膨張していたロータコア５０は収縮し、収縮していた永久磁石５４は膨張し、それぞれ元の状態に戻る。ここで、永久磁石５４は加熱状態に比べて膨張するので、ロータコア５０のＣ領域に応力が発生してしまう。このロータコア５０の残留応力により、ロータの磁気特性が不均一になり、モータ効率を低下させてしまうという問題がある。

また、永久磁石５４は加熱により残留磁束密度が低下する特性を有しているので、固定工程において永久磁石５４の温度が上昇すると、残留磁束密度が低下してしまうという問題がある。また、充填剤５６が永久磁石５４と収容孔５２の隙間にまんべんなく充填されないという問題があった。

更に、モータ駆動時には、永久磁石５４の温度が上昇してしまうと、磁束が低下し、モータ効率が低下するという問題もある。また、モータ駆動時に、永久磁石５４の温度が上昇するので、耐熱レベルの高い磁石を選択しなければならず、磁石の選択の幅を狭め、また、耐熱レベルの高い磁石はコストが高いという問題があった。

そこで本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、永久磁石の温度上昇を抑えモータ効率を向上させる永久磁石埋め込み式モータのロータ及びその方法を提供することを目的とする。

本発明の永久磁石埋め込み式モータのロータは、永久磁石が、ロータコアの軸方向に沿って形成された複数の収容孔に、充填剤を介して固定される永久磁石埋め込み式モータのロータにおいて、永久磁石の表面であって、収容孔との接着面に断熱層が形成されていることを特徴とする。

また、本発明の永久磁石埋め込み式モータのロータにおいて、前記永久磁石は、ネオジウム磁石であることを特徴とする。

更に、本発明の永久磁石埋め込み式モータのロータにおいて、前記充填剤は、熱硬化性樹脂であることを特徴とする。

更に、本発明の永久磁石埋め込み式モータのロータにおいて、前記断熱層は、前記充填剤と同一の材料で構成されていることを特徴とする。

更に、本発明の永久磁石埋め込み式モータのロータにおいて、前記断熱層には、充填剤の充填方向に対してほぼ直角な方向に沿って、充填剤を誘導する誘導溝が形成されていること特徴とする。

本発明の永久磁石埋め込み式モータのロータの製造方法は、軸方向に伸びた複数の収容孔が形成されたロータコアと、各収容孔に充填剤を介して固定される永久磁石と、を有する永久磁石埋め込み式モータのロータの製造方法であって、永久磁石の表面であって、収容孔との接着面に断熱層を形成する工程と、ロータコア、永久磁石、充填剤を加熱した状態で、収容孔に永久磁石を配置すると共に、永久磁石と収容孔の間隙に充填剤を充填し、永久磁石とロータコアを接着する接着工程と、を有することを特徴とする。

また、本発明の永久磁石埋め込み式モータのロータの製造方法において、前記永久磁石は、ネオジウム磁石であることを特徴とする。

更に、本発明の永久磁石埋め込み式モータのロータの製造方法において、前記充填剤は、熱硬化性樹脂であることを特徴とする。

更に、本発明の永久磁石埋め込み式モータのロータの製造方法において、前記断熱層は、前記充填剤と同一の材料で構成されていることを特徴とする。

更に、本発明の永久磁石埋め込み式モータのロータの製造方法において、前記断熱層には、充填剤の充填方向に対してほぼ直角な方向に沿って、充填剤を誘導する誘導溝が形成されていること特徴とする。

本発明は、永久磁石の表面に断熱層を形成することにしたので、ロータコアの製造時、モータ駆動時、永久磁石の温度上昇を抑えることができ、モータ効率を向上させることができる。

以下、発明を実施するための形態（以下、実施形態という）について、図面を参照し説明する。

＜永久磁石埋め込み式同期モータのロータ＞
図１は、本実施形態の永久磁石埋め込み式同期モータのロータの全体斜視図であり、図２は、図１のＡ−Ａ線に沿った拡大断面図である。この永久磁石埋め込み式同期モータは、ハイブリット車や電気自動車等のモータに用いることができる。

図１、２に示すように、本実施形態のロータ１０は、ロータコア１２と、ロータコア１２に形成された収容孔１４に固定される永久磁石１６と、を有する。本実施形態において特徴的なことは、永久磁石１６の表面に断熱層１８が形成され、永久磁石１６と収容孔１４の隙間に充填剤２０が充填され、永久磁石１６が収容孔１４に固定されている点である。以下、詳細に説明する。

ロータコア１２は、薄板状の電磁鋼板等の積層体からなり、その中心部分に軸穴２２が形成され、この軸穴２２にシャフト（図示せず）が嵌合される。ロータコア１２には、外周に近い部分にほぼ等間隔で、ロータコア１２の軸方向に沿って複数の収容孔１４が形成されている。

この収容孔１４に、永久磁石１６が配置される。永久磁石１６は、サマリゥム・コバルト系の永久磁石、ネオジウム磁石等を用いることができ、自動車のモータ用としては、ネオジウム磁石が好適である。このネオジウム磁石は、ネオジウム、鉄、ホウ素を主成分とした磁石であり、磁束密度が高いので、小型、小軽量で且つ高効率が要求される自動車用モータに適しているからである。
永久磁石１６は、充填剤２０を介して収容孔１４に固定される。充填剤２０は、熱硬化性樹脂を用いることができ、例えば、エポキシ樹脂やシリコーン樹脂を用いることができる。

この永久磁石１６の表面、詳細には収容孔１４との接着面に断熱層１８が形成され、この断熱層１８を介して収容孔１４と永久磁石１６が固定されている。この断熱層１８は、永久磁石１６の温度上昇を抑えることができる。これにより、モータ駆動時に、ロータコア１２からの伝熱を防ぎ、温度上昇による永久磁石１６の磁束の減少を防止することができ、モータ効率の低下を防止することができる。また、耐熱レベルが低い永久磁石を選択することができる。なお、この断熱層１８は、ロータコア１２の製造における、永久磁石１６とロータコア１２の固定工程においても効果を有するが、これについては後述する。

この断熱層１８の材料としては、機械強度、断熱効果等を考慮して選択され、好適には、薄くて、機械強度、断熱効果の高い材料が良い。例えば、ガラスまたはセラミックス繊維からなる材料から選択される。セラミックス繊維としては、機械強度や断熱特性の観点から、マグネシア、ジルコニア、あるいはアルミナ等が適している。また、断熱層１８として、熱硬化性樹脂を用いても良く、充填剤２０と同じ熱硬化性樹脂で使用しても良い。これにより、ロータ１０を構成する材料を簡素化することができる。

また、この断熱層１８には、他の部分より層厚が薄く、ロータコア１２の軸方向に対してほぼ直角な方向に沿って誘導溝２４が形成されている。この誘導溝２４は、充填剤２０として熱硬化性樹脂を用いた場合、充填剤２０が永久磁石１６の表面にまんべんなく回り込むように設けられたものである。永久磁石１６と収容孔１４の隙間の充填剤２０の充填率が高くなることにより、ロータコア１２と永久磁石１６の固定力を向上することができる。これにより、モータ駆動時において、ロータ１０の遠心力強度を高めることができる。また、充填剤充填率が高くなることにより、この充填剤２０自体が断熱材として機能することにより、モータ駆動時における永久磁石１６の温度上昇を抑制することができる。

＜ロータの製造方法＞
次に、本実施形態におけるロータ１０の製造方法について説明する。図３は、各製造工程の様子を説明する図であり、図３（Ａ）は、収容孔１４の拡大平面図、図３（Ｂ）は、断熱層１８が形成された永久磁石１６の拡大斜視図、図３（Ｃ）は、ロータコア１２の斜視図、図３（Ｄ）は、図３（Ｃ）のＢ−Ｂ線に沿った拡大断面図である。この例においては、永久磁石１６にネオジウム磁石を用い、充填剤２０に熱硬化性樹脂を用いる。

まず、一般的な手法を用い、例えば、帯状の電磁鋼板を円筒形状に券回させて、電磁鋼板の積層体からなるロータコア１２を作製する。この円筒形状の中心部分が軸穴２２となる。このロータコア１２の所定の箇所を軸方向に打ち抜いて複数の収容孔１４を形成する。この収容孔１４は、図３（Ａ）に示すように、例えば略扁平矩形形状の永久磁石１６（図３（Ａ）において点線で示す）が配置される場合、基本的には、永久磁石１６の外形に沿って永久磁石１６の外形形状よりわずかに大きい形状に形成されるが、両側部はやや丸くふくらんだ形状となる。言い換えると、永久磁石１６の広平面１６ａと収容孔１４との隙間は狭く、永久磁石１６の側面１６ｂと収容孔１４との隙間は、やや大きく形成される。永久磁石１６の側面１６ｂ付近の隙間を大きくするのは、永久磁石１６の磁束が外側に出て行くようにするためである。

次に、図３（Ｂ）に示すように、永久磁石１６に断熱層１８を形成する。断熱層１８は、上述したような材料から選択され、永久磁石１６の表面であって、収容孔１４との接着面１６ｃに形成する。例えば、ガラス又はセラミック繊維からなるシート状の断熱材を永久磁石１６の接着面１６ｃに巻き付けることで形成することができる。この例では、接着面１６ｃは、広平面１６ａと側面１６ｂである。また、断熱層１８として熱硬化性樹脂を用いることができる。この場合、永久磁石１６の接着面１６ｃに加熱した熱硬化性樹脂を塗布し、これを硬化させることで形成することができる。断熱層１８として充填剤２０と同じ熱硬化性樹脂を用いることで、ロータコア１２の製作に必要な材料を簡素化することができる。

この断熱層１８に、ロータコア１２の軸方向にほぼ直角な方向に沿って誘導溝２４が形成される。この誘導溝２４の方向は、後述するように、充填剤２０の充填方向に対してほぼ直角な方向となる。この誘導溝２４は、永久磁石１６の高さ方向で２〜３本設けることが好ましい。また、その断面形状は、充填剤２０が流れやすいように半円形状の溝が好ましい。

次に、充填剤の樹脂２０を約１４０℃〜２００℃に加熱し軟化させる。このとき、この樹脂２０の加熱温度と同じ温度に、ロータコア１２、永久磁石１６を予備加熱する。樹脂２０、ロータコア１２，永久磁石１６の加熱後、図３（Ｃ）に示すように、ロータコア１２の収容孔１４に永久磁石１６を配置すると共に、樹脂２０をロータコア１２の上側、図３（Ｃ）で示す永久磁石１６の側面１６ｂの付近の収容孔１４から充填する。上側から流入された樹脂２０は、収容孔１４の隙間を上から下へ流下すると共に、断熱層１８に形成された誘導溝２４に流れ込んでいく。図３（Ｄ）に示すように、この誘導溝２４に誘導された樹脂２０は、永久磁石１６の広平面１６ａと収容孔１４の幅の狭い隙間にも拡散される。これにより、永久磁石１６と収容孔１４の狭い隙間にも樹脂２０を充填させることができ、永久磁石１６とロータコア１２との固定力を高めることができる。

その後、冷却し樹脂２０を硬化させて、永久磁石１６とロータコア１２を固定させる。

この固定工程において、断熱層１８が予備加熱時や永久磁石１６を収容孔１４に配置した後のロータコア１２からの伝熱を防止し、永久磁石１６の温度上昇を抑えるので、残留磁束密度の低下を最小限に抑えることができる。

また、従来例で説明した図６に示すように、約１４０℃〜２００℃の加熱温度では、ロータコア１２は膨張し、ネオジウム磁石１６の側面１６ｂは収縮する。本実施形態においては、ネオジウム磁石１６は、断熱層１８に覆われているので、ネオジウム磁石１６の側面１６ｂの収縮は少なくなり、収容孔１４の体積変化、詳細には、永久磁石１６の側面１６ｂ領域の体積変化を少なくすることができる。これにより、収容孔１４に多くの樹脂２０が充填されない。よって、冷却されたときに、永久磁石１６の側面１６ｂが膨張して元に戻り、収容孔１４の体積減少により、ロータコア１２に応力が発生することを緩和することができる。これにより、ロータの磁気特性を均一化させることができ、モータ効率の低下を抑制することができる。

なお、本実施形態においては、永久磁石１６としてネオジウム磁石を用いた例について説明したが、ネオジウム磁石に限定されることなく、永久磁石とロータコアの熱膨張特性、特に固定工程における加熱温度までの熱膨張特性が互いに異なる永久磁石とロータコアの組み合わせの場合に、ロータコアの応力発生の問題を解決することができる。

また、本実施形態において、誘導溝は、ロータコアの軸方向に対して直角な方向に沿って形成されているが、例えば、充填剤の充填方向が異なる場合等には、誘導溝は、ロータコアの回転軸方向に沿って設けられても良い。更に、誘導溝は、両方の方向に沿って、すなわち格子状に設けても良い。
更に、固定工程において、永久磁石、ロータコアを予備加熱しているが、特に必要がない場合には予備加熱をしなくても良い。

＜断熱層の他のバリエーション＞
図４は、断熱層のバリエーションを示す図である。

図４（Ａ）に示す例は、永久磁石１６の側面１６ｂのみに、断熱層１８を形成した例である。上述したように、永久磁石１６として用いられるネオジウム磁石は、加熱時において永久磁石１６の側面１６ｂが収縮してしまうので、ロータコア１２に応力を発生させる。従って、この側面１６ｂのみに断熱層１８を設けても、永久磁石１６と収容孔１４の固定の際のロータコア１２の応力緩和の効果を得ることができる。

図４（Ｂ）は、複数の断熱シート２６を所定の間隙２８をおいて配置し、断熱層１８を形成した例である。図４（Ｂ）において、永久磁石１６に３枚の断熱シート２６が券回され、一番上の断熱シート２６は、途中まで券回されている。この間隙２８が誘導溝２４として機能することになる。この例によれば、所定幅の断熱シート２６を複数用いることにより、誘導溝２４を簡単に形成することができる。また、永久磁石１６の表面に、所定の間隙２８を空けて樹脂２０を塗布してこの形態を実現しても良い。

実施形態の永久磁石埋め込み式同期モータのロータの全体斜視図である。 図１のＡ−Ａ線に沿った拡大断面図である。 本実施形態における各製造工程の様子を説明する図である。 断熱層のバリエーションを示す図である。 従来の永久磁石埋め込み式同期モータのロータの平面図である。 電磁鋼板とネオジウム磁石の熱膨張特性を示すグラフである。

符号の説明

１０ ロータ、１２ ロータコア、１４ 収容孔、１６ 永久磁石、１６ａ 広平面、１６ｂ 側面、１６ｃ 接着面、１８ 断熱層、２０ 充填剤、２２ 軸穴、２４ 誘導溝、２６ 断熱シート、２８ 間隙。

Claims (10)

1. 永久磁石が、ロータコアの軸方向に沿って形成された複数の収容孔に、充填剤を介して固定される永久磁石埋め込み式モータのロータにおいて、
   永久磁石の表面であって、収容孔との接着面に断熱層が形成されていることを特徴とする永久磁石埋め込み式モータのロータ。
2. 前記永久磁石は、ネオジウム磁石であることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石埋め込み式モータのロータ。
3. 前記充填剤は、熱硬化性樹脂であることを特徴とする請求項１又は２に記載の永久磁石埋め込み式モータのロータ。
4. 前記断熱層は、前記充填剤と同一の材料で構成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の永久磁石埋め込み式モータのロータ。
5. 前記断熱層には、充填剤の充填方向に対してほぼ直角な方向に沿って、充填剤を誘導する誘導溝が形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の永久磁石埋め込み式モータのロータ。
6. 軸方向に伸びた複数の収容孔が形成されたロータコアと、各収容孔に充填剤を介して固定される永久磁石と、を有する永久磁石埋め込み式モータのロータの製造方法であって、
   永久磁石の表面であって、収容孔との接着面に断熱層を形成する工程と、
   ロータコア、永久磁石、充填剤を加熱した状態で、収容孔に永久磁石を配置すると共に、永久磁石と収容孔の間隙に充填剤を充填し、永久磁石とロータコアを接着する接着工程と、
   を有することを特徴とする永久磁石埋め込み式モータのロータの製造方法。
7. 前記永久磁石は、ネオジウム磁石であることを特徴とする請求項６に記載の永久磁石埋め込み式モータのロータの製造方法。
8. 前記充填剤は、熱硬化性樹脂であることを特徴とする請求項６又は７に記載の永久磁石埋め込み式モータのロータの製造方法。
9. 前記断熱層は、前記充填剤と同一の材料で構成されていることを特徴とする請求項６〜８のいずれか１項に記載の永久磁石埋め込み式モータのロータの製造方法。
10. 前記断熱層には、充填剤の充填方向に対してほぼ直角な方向に沿って、充填剤を誘導する誘導溝が形成されていること特徴とする請求項６〜９のいずれか１項に記載の永久磁石埋め込み式モータのロータの製造方法。

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