JP2007043823A

JP2007043823A - 永久磁石ロータの製造方法

Info

Publication number: JP2007043823A
Application number: JP2005225256A
Authority: JP
Inventors: Masaru Owada; 優大和田; Makoto Kano; 眞加納
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2005-08-03
Filing date: 2005-08-03
Publication date: 2007-02-15

Abstract

【課題】モータ運転時に永久磁石の内部で発生した熱をコア側に効率良く伝達し得る永久磁石ロータの製造方法を提供する。
【解決手段】コア９の周方向に沿って永久磁石６を備えたロータＲを製造するに際し、成形型１におけるコア９の成形空間２内に、予め所定形状に形成した永久磁石６を配置し、その後、成形型１の成形空間２に粉末状のコア素材７を充填し、そのコア素材７を加熱及び加圧することにより、コア９に永久磁石６を一体的に備えたロータＲを作製し、永久磁石６で発生した熱をコア９側に効率良く伝達し得るものとした。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気自動車等の電気駆動車両において、その駆動源であるモータに使用される永久磁石ロータの製造方法に関するものである。

従来の永久磁石ロータとしては、例えば図５に示すようなものがあった。図示のロータ１００は、中間に大径部１０１ａ及び小径部１０１ｂを有する回転軸１０１と、大径部１０１ａとほぼ同一外径を有し且つ小径部１０１ｂに嵌入した円筒状部材１０２と、大径部１０１ａ及び円筒状部材１０２の外側に固定した永久磁石１０３を備えており、外周側に配置するステータ（図示せず）とともにモータを構成する。

上記のロータ１００では、大径部１０１ａと円筒状部材１０２との間に接着剤１０４を設けて回転軸１０１に円筒状部材１０２を固定するようにし、また、大径部１０１ａ及び円筒状部材１０２の外周面に接着剤１０４を設けて永久磁石１０３を嵌合固定するようにしていた（特許文献１）。
特開２００２−２３３０８８号公報

ところで、この種の永久磁石ロータでは、モータ性能の上限を決める要因の一つとして、永久磁石の発熱による不可逆減磁があり、永久磁石の昇温を抑制するためには、永久磁石の熱をコア側に効率的に逃がすことが重要である。

しかしながら、上記したような従来の永久磁石ロータにあっては、大径部及び円筒状部材から成るコア部分と永久磁石との間に、熱伝導率の低い接着剤の層が介在していることから、モータ運転時に永久磁石の内部で発生した熱をコア側に伝達し難いという問題点があり、このような問題点を解決することが課題であった。

本発明は、上記従来の課題に着目して成されたものであって、モータ運転時に永久磁石の内部で発生した熱をコア側に効率良く伝達し得る永久磁石ロータの製造方法を提供することを目的としている。

本発明の永久磁石ロータの製造方法は、コアの周方向に沿ってステータに対向する永久磁石を備えたロータを製造するに際し、成形型におけるコアの成形空間内に、予め所定形状に形成した永久磁石を配置し、その後、成形型の成形空間に、粉末状のコア素材を充填する。

コア素材としては、ガラス転移点を有し且つＦｅ、Ｎｉ及びＣｏのうちのいずれか１つを主成分とするアモルファス粉末に、絶縁材料をコーティングして成るものを用いることができる。そして、成形型において、その成形空間に充填したコア素材を加熱及び加圧することにより、コアに永久磁石を一体的に備えたロータを得ることを特徴としている。

本発明の永久磁石ロータの製造方法によれば、コアに永久磁石を埋設状態で一体化したことから、モータ運転時に永久磁石で発生した熱をコア側に効率良く伝達し得る永久磁石ロータ、さらには永久磁石の昇温を抑制してモータ出力の向上を実現し得る永久磁石ロータを提供することができ、また、接着剤及びその塗布工程が不要となるので、永久磁石ロータの生産性の向上を図ることができる。

本発明の永久磁石ロータの製造方法は、コアの周方向に沿ってステータに対向する永久磁石を備えたロータを製造する方法であって、図１に一実施形態を示すように、成形型１と粉末材料を用いてロータを成形する。

成形型１は、図１（ａ）（ｂ）に示すように、円筒形状を成すものであって、その内側に円柱状のコアの成形空間２を有しており、成形空間２の底部に下側ポンチ３を備えていると共に、下側ポンチ３の上面に非磁性端板４が設けてある。

非磁性端板４は、後記する永久磁石の漏れ磁束を抑制する機能と、永久磁石等の位置決め機能を有するものであって、図２に示すように、中央に軸用穴４ａを有すると共に、軸用穴４ａの周囲に４つの磁石用穴４ｂを９０度間隔で有している。

そして、当該製造方法では、成形型１の成形空間２内において、軸用穴４ａに、円柱状の軸体５の下端部を嵌合すると共に、各磁石用穴４ｂに、予め所定形状に形成した永久磁石６の下端部を嵌合することで、軸体５及び各永久磁石６を所定位置に配置し、その後、図１（ｃ）に示すように、成形空間２に粉末状のコア素材７を充填する。

コア素材７は、ガラス転移点を有し且つＦｅ、Ｎｉ及びＣｏのうちのいずれか１つもしくは２種類以上の元素を主成分とするアモルファス粉末に絶縁材料をコーティングして成るものである。このとき、アモルファス粉末の主成分とは、例えば、全質量のうちの５０％〜９５％を占めるものとする。また、アモルファス粉末にコーティングする絶縁材料としては、例えばけい酸ナトリウム，ＳｉＯ_２，Ａｌ_２Ｏ_３などの無機物，希土類酸化物などが挙げられる。

こののち、当該製造方法では、図１（ｄ）に示すように、成形空間２の上側から上側ポンチ８を下降させて、上下のポンチ８，３で粉末状のコア素材７を加圧し、これにより形成した圧粉体を加熱処理することにより、図１（ｅ）に示すように、コア９に永久磁石６を備えたロータＲを得る。なお、図１（ｅ）では軸体５を示していないが、軸体５を一体化することも勿論可能である。

このようにして製造したロータＲは、コア９に永久磁石６を埋設状態で一体化したものとなり、コア９と永久磁石６との間には従来の如き接着剤層が無いので、モータ運転時に永久磁石６で発生した熱をコア９側に効率良く伝達することができる。これにより、モータ運転時における永久磁石６の昇温を抑制することができ、モータ出力の向上を実現し得るものとなる。

また、接着剤及びその塗布工程が不要となるので、ロータＲの生産性の向上を図ることができる。さらに、従来のようにコアと永久磁石の間に接着剤を用いたものでは、接着剤の厚みが流動的であって、固定後の永久磁石に僅かな位置ずれが生じる恐れがあるが、当該製造方法によれば、各永久磁石６を正確に配置し得るので、各永久磁石６すなわち各極の磁力が安定したものとなり、モータのコギングトルク低減にも効果がある。

なお、図１に示す実施形態においては、コア９に対して永久磁石６を完全に埋設した状態を示したが、コア９の外周面に永久磁石６の一部を露出させた状態にすることもでき、また、コア９と永久磁石６との結合力をより高めるために、永久磁石６に適当な凹凸を設けておくことも有効である。

本発明の永久磁石ロータの製造方法は、図３に他の実施形態を示すように、永久磁石に代えて磁石素材１６を用いると共に、コア９の外周面に対向する着磁用コイルＣ１，Ｃ２と着磁用コイルＣ１，Ｃ２に電流を供給する電源Ｅを備えた着磁装置５０を用いて、ロータＲを製造することができる。

この場合、磁石素材１６は、先述の永久磁石と同様に予め所定形成に形成したものであって、成形型の成形空間内に配置され、コア素材の充填、並びにコア素材の加熱及び加圧の工程を経て、コア９に埋設状態で一体化される。

図示の着磁装置５０は、隣接する２つの磁石素材１６，１６すなわち隣接する２極に対向する２つの着磁用コイルＣ１，Ｃ２を備えている。また、電源Ｅは、コンデンサを備えており、このコンデンサに蓄えたエネルギを着磁用コイルＣ１，Ｃ２に供給する。

そして、当該製造方法では、着磁装置５０において２つの磁石素材１６，１６が着磁用コイルＣ１，Ｃ２に対向する状態にコア９を配置し、電源Ｅから着磁用コイルＣ１，Ｃ２に大きなパルス電流を瞬間的に通電する。

このとき、磁石素材１６を含むコア９には瞬間的に大きな磁場（磁界）が印加され、この磁場は、図中に矢印で示す着磁磁束、すなわち一方の磁石素材（一方の極１）１６のコア外周面側から発生して同磁石素材１６を貫通し、他方の磁石素材（他方の極２）１６のコア内周側からコア外周側に出る着磁磁束を形成する。そして、他方の磁石素材（他方の極２）１６を抜けた着磁磁束は、着磁用コイルＣ１，Ｃ２の背面ヨーク５１を通過して、閉じた磁気回路を形成する。

このようにして、当該製造方法では、着磁用コイルＣ１，Ｃ２に対して瞬間的に大電流を通電することにより、磁場を印加して２つの磁石素材１６，１６を同時に着磁し、これらの磁石素材１６，１６が永久磁石（６）としての機能を有するようになる。また、残りの磁石素材１６（極３、極４）にも同じ要領で着磁を行い、これらの磁石素材１６を永久磁石（６）とする。

上記の製造方法によれば、先の実施形態と同様に、モータ運転時に永久磁石（６）で発生した熱をコア９側に効率良く伝達することができるロータＲを得ることができ、永久磁石６の昇温抑制に伴うモータ出力の向上や、モータのコギングトルク低減などを実現するほかに、磁力を有していない磁石素材１６を用いることから、成形空間２内に磁石素材１６を配置する際に、その取り扱いが非常に容易であり、作業性や生産性のさらなる向上を実現することができる。

また、磁石素材１６に着磁を行う際には、コア９と磁石素材１６の間に従来のような接着剤層が無いので、着磁用コイルＣ１，Ｃ２から発生する磁場を効率良く磁石素材１６に伝達することができ、小さい出力で確実に着磁させることができる。

さらに、上記の各実施形態で得た永久磁石ロータＲは、その外周側に配置するステータとともにモータを構成することとなり、このようなモータは、電気自動車等の電機駆動車両の駆動源として用いることができる。

図４は、電気自動車ＥＶに、上記のロータＲを含むモータＭを駆動源として搭載した場合を示す図である。このモータＭは、各実施形態で説明したように永久磁石の昇温抑制を実現したロータＲを備えているので、単位荷重あたりの出力が大きく、コンパクトで高出力であると共に、電気自動車ＥＶに対する搭載性も良好である。

したがって、上記モータＭを使用した電気自動車ＥＶは、エンジンルームにおける各種機器のレイアウトの自由度が高いものとなり、また、駆動源（モータＭ）の出力増大に伴って回生出力を大きく得ることができるので、走行時におけるエネルギを効率良く回収すること可能であり、運動性能や燃費性能をより一層高めることができる。

図１に示す要領で永久磁石ロータＲを作製した。このとき、コア素材７には、Ｆｅを主成分とし且つその組成をＦｅ７７，Ｇａ３，Ｐ９．５，Ｃ４，Ｂ４，Ｓｉ２．５としたアモルファス粉末（金属ガラス粉末）を用いた。

アモルファス粉末は、上記６元素の夫々の秤量を行ったのち、これらを高周波溶解してインゴットを製作し、このインゴットをアルゴンガス雰囲気中でガスアトマイズ法にて粉末化したものである。

上記のアモルファス粉末は、ガラス転移点付近で軟化しはじめ、成形性が大きく向上するという特性を有している。なお、他の粉末化処理には水アトマイズ法があり、この方法で得た粉末でも同様に使用可能である。

次に、上記のアモルファス粉末に、絶縁材料をコーティングした。この際、ＲＯｘＣｙ処理用として、希土類錯体であるジスプロシウム２、４−ペンタンジオネイト１ｇをイソプロピルアルコール１００ｍｌに溶解した溶液を作製した。

そして、アモルファス粉末１ｋｇに対して、７５００ｍｌのＲＯｘＣｙ表面処理溶液を添加し、攪拌して溶媒を除去し、これを真空中において１５０℃で１時間の熱処理を行ってコア素材７を得た。

その後、熱源付の成形型１における成形空間２に、軸体５及び複数の永久磁石６を配置してから、上記のコア素材７を成形空間２に充填し、コア素材７を４２０℃で５分間加熱するとともに６００ＭＰａで加圧することにより、バルクの軟磁性体すなわちコア９に永久磁石６を埋設状態で一体化したロータＲを得た。

上記のロータＲを含むモータを作製して運転試験を行ったところ、永久磁石６で発生した熱をコア９側に効率的に伝達することができ、永久磁石６の昇温を充分に抑制し得るものであることを確認した。

また、その他の成分として［（Ｆｅ_０．９Ｃｏ_０．１）_０．７５Ｂ_0．2Ｓｉ_０．０５］_９６Ｎｂ_４という組成のアモルファス粉末（金属ガラス粉末）を使用することが可能である。この場合、絶縁皮膜処理や固化成形方法は前述のものと同様であるが、高強度な軟磁性材料を得ることが可能となる。

本発明の永久磁石ロータの製造方法に基づいてロータを製造する過程を説明する斜視図（ａ）及び各々断面図（ｂ）〜（ｅ）である。非磁性端板を説明する斜視図である。ロータの磁石素材に着磁を行う状態を説明する平面図である。当該製造方法によって得たロータを含むモータを駆動源として搭載した電気自動車を示す斜視図である。従来のロータを説明する断面図である。

符号の説明

１成形型
２成形空間
６永久磁石
７コア素材
９コア
１６磁石素材
５０着磁装置
Ｃ１Ｃ２着磁用コイル
Ｅ電源
ＥＶ電気自動車（電気駆動車両）
Ｍモータ
Ｒロータ

Claims

コアの周方向に沿ってステータに対向する永久磁石を備えたロータを製造するに際し、成形型におけるコアの成形空間内に、予め所定形状に形成した永久磁石を配置し、その後、成形型の成形空間に粉末状のコア素材を充填し、そのコア素材を加熱及び加圧することにより、コアに永久磁石を一体的に備えたロータを得ることを特徴とする永久磁石ロータの製造方法。
コア素材が、ガラス転移点を有し且つＦｅ、Ｎｉ及びＣｏのうちのいずれか１つを主成分とするアモルファス粉末に絶縁材料をコーティングして成るものであることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石ロータの製造方法。
請求項１又は２に記載の永久磁石ロータの製造方法において、永久磁石に代えて磁石素材を用いると共に、コアの外周面に対向する着磁用コイルと着磁用コイルに電流を供給する電源を備えた着磁装置を用い、磁石素材を一体的に備えたコアを得たのち、着磁装置において磁石素材が着磁用コイルに対向する状態にコアを配置し、着磁用コイルに通電することにより磁場を印加して磁石素材に着磁することを特徴とする永久磁石ロータの製造方法。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の永久磁石ロータの製造方法により製造したロータを用いてモータを構成すると共に、このモータを駆動源として用ることを特徴とする電気駆動車両。