JP2011041446A - ロータコアの製造方法、該製造方法により製造されたロータコア、該ロータコアを有する埋込磁石型回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】 低い鉄損を維持したまま、充分な高速回転化を実現し、加工も容易で安価なロータコアを提供できるようにする。
【解決手段】 本発明に係るロータコア（２１）は、内部にマグネット装着孔（２２、２３）を有し、炭素鋼や合金鋼などの焼入れ性を有する鋼板であって、マグネット装着孔（２２、２３）周りのブリッジ部（２４、２５）と当該ブリッジ部（２４、２５）の近傍（２６、２７）とを焼入れ処理した鋼板を積層してなることを特徴とするものである。これにより、充分な高速回転化を実現し、加工も容易で安価なロータコア（２１）を提供することができる。
【選択図】図４

Description

本発明は、マグネットを装着するためのマグネット装着孔が内部に形成されたロータコアの製造方法、該製造方法により製造されたロータコア、該ロータコアを有する埋込磁石型回転電機に関する。

従来の、ロータコア内部にマグネットを装着するロータを有する埋込磁石型回転電機は、常に高出力化と高効率化の改良がなされてきた。高出力化の手段の１つに高速回転化があり、高効率化の手段の１つにロータコアでの鉄損の低減があった。そのため、ロータコアの材質として一般的に鉄損の低い電磁鋼板を用いながら、高速回転化に対する工夫がなされてきた（例えば、特許文献１参照）。
図９は、従来のロータコア内部にマグネットを装着する埋込磁石型回転電機のロータコア例であり、特許文献１、図２に示されているものである。
図９において、ロータコア１は１極当たり２個のマグネットを装着するために２つのマグネット装着孔２,３が設けられている。この２つのマグネット装着孔２,３周りの外周側にはアウターブリッジ部１５を有し、同内周側の２つのマグネット装着孔２,３に挟まれた位置にはセンターブリッジ部１６を有する。
一般的に埋込磁石型回転電機のロータコアは、マグネットの磁束を有効にステータコアへと導くため、洩れ磁束通路となるマグネット装着孔周りのブリッジ部の巾を最小に設計しようと試みる。そのため、ロータの最大回転速度はブリッジ部の機械強度限界より制限される場合が多い。高速回転化を達成するための手段として、ロータコアに使用する電磁鋼板の強度を上げることが考えられるが、高強度でかつ鉄損の低い電磁鋼板の実現は困難であった。
特許文献１記載の発明では、鉄損の低い電磁鋼板を用いながらブリッジ部の強度を向上させる方法が示されている。具体的には、応力集中部となるアウターブリッジ部１５の一部１１とセンターブリッジ部１６の一部１２を加工硬化させ、さらに焼入れ処理によって熱履歴を与えることで強度の向上を得ている。

ロータコアの材質として一般的に鉄損の低い電磁鋼板を用いながら、高速回転化に対する工夫がなされた別の例もある（例えば、特許文献２参照）。
図１０は、従来のロータコア内部にマグネットを装着する別の埋込磁石型回転電機のロータコア例であり、特許文献２、図１１に示されているものである。
図１０において、ロータコア１２ｂは１極当たり２個のマグネットを装着するために２つのマグネット装着孔１２d が設けられている。この２つのマグネット装着孔１２d 周りの外周側にはアウターブリッジ部１２f を有し、同内周側の２つのマグネット装着孔１２ｄに挟まれた位置にはセンターブリッジ部を有する。
特許文献２記載の発明では、鉄損の低い電磁鋼板を用いながらブリッジ部の強度を向上させる方法が示されている。具体的には、応力集中部となるアウターブリッジ部１２ｆの近傍におけるマグネット装着孔１２ｄの表面に、粉末噴射装置２００によってアモルファス膜Ａを形成し、強度の向上を得ている。

一方、本件の発明者等は、マグネットの磁束集中によりロータコアを意図的に磁束飽和させ、ロータコア表面近くの部分での磁束密度変化を低減することで、鉄損の低い電磁鋼板を用いなくとも、ロータコアの鉄損を低く止め得る方法を見出した。この方法によれば、磁束の交番しないロータコアにヒステリシス特性の良い電磁鋼板を用いる必要がなく、同じ板厚で、より高強度な鋼板を用いることができると考え、炭素鋼よりなる高強度な焼入れ鋼板をロータコアに用いて、高速回転化と低い鉄損の両立を確認した。一般的な電磁鋼板の強度限界は、５００ＭＰa以下であるものが多いのに対し、前記焼入れ鋼板は、約１６００ＭＰaの強度限界を有する。
このように、従来の埋込磁石型回転電機のロータコアは、高速回転化と低い鉄損の両立が図られてきたのである。

特開２００５−３９９６３号公報（第１１頁、図２） 特開２００８−９２６９３号公報（第１７頁、図１１）

従来の埋込磁石型回転電機において、一般的な電磁鋼板を用いたロータコアでは、低い鉄損を実現することは容易であるが、高速回転化を実現することは困難であった。
特許文献１に示した従来の埋込磁石型回転電機において、ブリッジ部の一部を加工硬化させた電磁鋼板を用いることで、低い鉄損を維持したまま、高速回転化はなされるが、加工硬化による電磁鋼板の強化には限界があり、充分な高速回転化は実現できない。

特許文献２に示した従来の別の埋込磁石型回転電機において、ブリッジ部近傍のマグネット装着孔表面に強度の高いアモルファス膜を形成したことで、低い鉄損を維持したまま、高速回転化はなされるが、薄膜による電磁鋼板の強化には限界があり、充分な高速回転化は実現できない。

一方、本件の発明者等が行った焼入れ鋼板を用いたロータコアは、低い鉄損を維持したまま、充分な高速回転化を実現したが、高強度であるがゆえに鋼板の硬度も高いため、プレス成形において、加工精度の低下と型寿命の低下が問題となる。また、鋼板の全体を焼入れ処理する熱量を要するため、高価な鋼板となる問題もある。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、低い鉄損を維持したまま、充分な高速回転化を実現し、加工も容易で安価なロータコアの製造方法、該製造方法により製造されたロータコア、該ロータコアを有する埋込磁石型回転電機を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
請求項１に記載の発明は、マグネット装着孔が内部に形成されたロータコアであって、ロータコアは、炭素鋼や合金鋼などの焼入れ性を有する鋼板であって、マグネット装着孔周りのブリッジ部と当該ブリッジ部の近傍とを焼入れ処理した鋼板を積層してなることを特徴とするロータコアとするものである。
また、請求項２に記載の発明は、請求項１記載の発明において、焼入れ処理した鋼板が、積層する各々の積層面に、非導電性の皮膜または表面処理による非導電性の化合層を有することを特徴とするものである。
また、請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載のロータコアを有する埋込磁石型回転電機とするものである。
また、請求項４に記載の発明は、マグネット装着孔が内部に形成されたロータコアの製造方法であって、ロータコアは、炭素鋼や合金鋼などの焼入れ性を有する鋼板を、マグネット装着孔を含む所定の形状に成形する工程と、鋼板のマグネット装着孔周りのブリッジ部と当該ブリッジ部の近傍とを焼入れ処理する工程と、焼入れ処理した鋼板を積層する工程と、を含む、ロータコアの製造方法とするものである。
また、請求項５に記載の発明は、請求項４記載の発明における焼入れ処理する工程において、鋼板のマグネット装着孔周りのブリッジ部と当該ブリッジ部の近傍は、加熱したこてを押し当てることにより焼入れ処理されることを特徴とするものである。
また、請求項６に記載の発明は、請求項５記載の発明において、こては、誘導過熱によって加熱されることを特徴とするものである。

請求項１に記載の発明によると、ロータコアは、炭素鋼や合金鋼などの焼入れ性を有する鋼板であり、マグネット装着孔周りのブリッジ部と当該ブリッジ部の近傍とを焼入れ処理した鋼板を積層してなるため、充分な高速回転化を実現し、加工も容易で安価なロータコアを提供できる。
また、請求項２に記載の発明によると、焼入れ処理した鋼板は、積層する各々の積層面に、非導電性の皮膜または表面処理による非導電性の化合層を有するため、従来の電磁鋼板と同様に渦電流による鉄損の増加を防止できる。
また、請求項３に記載の発明によると、請求項１記載のロータコアを有する埋込磁石型回転電機とするため、高出力化を実現した、安価な埋込磁石型回転電機を提供できる。
また、請求項４に記載の発明によると、炭素鋼や合金鋼などの焼入れ性を有する鋼板を、マグネット装着孔を含む所定の形状に成形し、その後、マグネット装着孔周りのブリッジ部とブリッジ部の近傍を焼入れ処理するため、加工精度の低下と型寿命の低下がない。また、鋼板の全体を焼入れ処理しないため、加熱に要する熱量が軽微であり、焼入れ処理コストが安価である。また、充分な高速回転化を実現することもできる。
また、請求項５に記載の発明によると、マグネット装着孔周りのブリッジ部とブリッジ部の近傍は、加熱したこてを押し当てることにより瞬時に焼入れ処理されるため、加工費が安価である。
また、請求項６に記載の発明によると、こては、誘導過熱によって加熱されるため、大掛かりな設備を必要とせず、設備費が安価である。

本発明の第１実施例を示す埋込磁石型回転電機の径方向断面図 本発明の第１実施例を示す埋込磁石型回転電機の軸方向断面図 本発明の第１実施例を示す埋込磁石型回転電機のロータを示す図 本発明の第１実施例を示す埋込磁石型回転電機のロータコアの形状の一部を示す図 本発明の第１実施例を示す埋込磁石型回転電機のロータコアの外観図 本発明の第１実施例を示すロータコアを構成する鋼板の焼入れ処理の様子を示す図 本発明の第１実施例を示すロータコア、及びロータの製造方法の工程図 本発明の第２実施例を示す埋込磁石型回転電機のロータコアの径方向断面図 従来の埋込磁石型回転電機のロータコア例を示す図 従来の別の埋込磁石型回転電機のロータコア例を示す図

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１及び図２は、本発明の第１実施例を示す埋込磁石型回転電機の径方向断面図と軸方向断面図である。
図１及び図２において、本実施例に係る埋込磁石型回転電機は、ロータコア内部にマグネットを装着するロータ１９を有している。ロータ１９は、シャフト２８に設置された負荷側軸受３７と反負荷側軸受３８を介して、負荷側ブラケット３５と反負荷側ブラケット３６に回転自在に保持されている。
ステータは、ステータコア３１とステータコイル３２よりなり、これらをロータ１９の外周を囲むように複数並べることにより構成される。ステータの外周は、フレーム３３に保持される。フレーム３３は負荷側ブラケット３５に、反負荷側ブラケット３６とともに、締結ボルト３４で固定されている。ステータコイル３２への通電はステータコイル３２のリード線３９を通して行われ、ロータ１９の反負荷側には、回転位置検出のためのエンコーダ部４０が設置されている。
本実施例のロータコアを有する埋込磁石型回転電機は、低い鉄損を維持したまま、充分な高速回転化を実現し、高出力化と高効率化をなし得る。

図３は、本発明の第１実施例を示す埋込磁石型回転電機のロータを示す図であり、図３（ａ）は径方向断面図、図３（ｂ）は軸方向断面図である。
図３において、ロータ１９は、マグネット２０およびロータコア２１により構成される。マグネット２０は、ロータコア２１のマグネット装着孔に装着される。マグネット２０は、1極当たり２個設けられ、２個のマグネット２０は、ロータコア２１内周側を頂点とするＶ字を形成するように設けられる。ロータ１９は、シャフト２８に嵌合され、負荷側プレート２９と反負荷側プレート３０により軸方向を固定されている。
本実施例のロータ１９は、ロータコア２１の１極当たり２個のマグネット２０の挟角を充分狭く設計し、マグネット２０より発する磁束をロータ１９表面に磁束集中させることにより、２個のマグネット２０の挟角側の間のロータコア２１を意図的に磁束飽和させ、回転中のロータコア２１表面近くの部分での磁束密度変化を低減することで、ロータコア２１の鉄損を低く止め得る設計としている。

図４は、本発明の第１実施例を示す埋込磁石型回転電機のロータコアの形状の一部を示す図である。
図４において、ロータコア２１には１極当たり２個のマグネット２０を装着するために２つのマグネット装着孔２２,２３が設けられている。この２つのマグネット装着孔２２,２３周りのロータコア２１の外周側にはアウターブリッジ部２４を有し、同内周側の２つのマグネット装着孔２２,２３に挟まれた位置にはセンターブリッジ部２５を有する。これら２つのマグネット装着孔２２,２３周りのブリッジ部（アウターブリッジ部２４およびセンターブリッジ部２５）とブリッジ部の近傍（アウターブリッジ部２４の近傍２６およびセンターブリッジ部２５の近傍２７）は、焼入れ処理により強化されている。
マグネット装着孔２２,２３にマグネット２０を装着し、ロータ１９が高速で回転する時、前記ブリッジ部において、遠心力による応力が最大となる。このため、ロータ１９の最大回転速度を増大するには、前記ブリッジ部の強度を向上すればよく、他の部分の強度を向上する必要はない。
ロータコア２１は、炭素鋼や合金鋼などの焼入れ性を有する鋼板よりなり、焼入れ処理により約１６００ＭＰaの強度限界を有する高強度な鋼板となるため、本実施例のロータ１９は充分な高速回転化を実現できる。

図５は、本発明の第１実施例を示す埋込磁石型回転電機のロータコアの外観図である。
図５において、ロータコア２１を構成する焼入れ処理した鋼板は、積層する各々の積層面に、非導電性の皮膜または表面処理による非導電性の化合層を有する。そのため、従来の電磁鋼板と同様に渦電流による鉄損の増加を防止できる。
また、ロータコア２１は、炭素鋼や合金鋼などの焼入れ性を有する鋼板を設定の形状に成形し、その後、マグネット装着孔２２，２３周りのブリッジ部とブリッジ部の近傍を焼入れ処理し、焼入れ処理した鋼板を積層する。そのため、プレス成形等の形状加工工程において鋼板は軟質であり、加工精度の低下と型寿命の低下が問題とならない。また、鋼板の全体を焼入れ処理しないため、加熱に要する熱量が軽微であり、焼入れ処理コストが安価である。

図６は、本発明の第１実施例を示すロータコアを構成する鋼板の焼入れ処理の様子を示す図である。
図６において、ロータコア２１を構成する鋼板２１ｐを、設定の形状に加工し、図示しない治具台に固定した状態で、鋼板２１ｐの両側から、加熱電源１００で加熱した上こて１０１と下こて１０２を押し当て、設定の部分を焼入れ処理して高強度となす。
上こて１０１と下こて１０２は、加熱電源１００による誘導加熱により９００℃以上に加熱され、厚み０．５ｍｍ以下の鋼板２１ｐに対し、十分大きな熱容量を有する。上こて１０１と下こて１０２を鋼板２１ｐの両側より押し当てるため、鋼板２１ｐの焼入れ処理は瞬時に行われる。このため、例えば特許文献２に示されているような表面処理に比べ、より短時間で、より正確な範囲を高強度化できる。
また、治具形状の工夫により、鋼板２１ｐの全ての焼入れ処理部分を、一度に処理することも、また、複数の鋼板２１ｐを同時に処理することも可能であり、処理工程に要する時間、及び加工費は、安価な、量産し易いレベルとなし得るのである。

図７は、本発明の第１実施例を示すロータコア、及びロータの製造方法の工程図である。
図７に示すように、ロータコア２１の製造工程では、まず、鋼板２１ｐをプレス機で設定の形状(マグネット装着孔２２，２３を含む形状)に打抜き成形する。次に、マグネット装着孔２２，２３周りのブリッジ部とブリッジ部の近傍を焼入れ処理する。次に、焼入れ処理した鋼板２１ｐを積層し、一体化することで、ロータコア２１が完成する。
ロータ１９の製造工程では、まず、シャフト２８に負荷側プレート２９を圧入して一体化する。次に、負荷側プレート２９を一体化したシャフト２８にロータコア２１を組付ける。次に、ロータコア２１のマグネット装着孔２２，２３にマグネット２０を装着して接着し一体化する。次に、シャフト２８に反負荷側プレート３０を圧入し一体化する。次に、マグネット２０を着磁する。これにより、ロータ１９が完成する。

本発明が、特許文献１や特許文献２と異なる部分は、加工硬化や表面処理による電磁鋼板の強化ではなく、従来の電磁鋼板を用いず、炭素鋼や合金鋼などの焼入れ性を有する鋼板を用い、マグネット装着孔周りのブリッジ部とブリッジ部の近傍を、焼入れ処理して強化した部分である。

図８は、本発明の第２実施例を示す埋込磁石型回転電機のロータコアの径方向断面図である。
図８において、ロータコア４２は１極当たり１個のマグネット４３を装着するためのマグネット装着孔が設けられている。また、マグネット装着孔周りのロータコア４２の外周側にはアウターブリッジ部４８を有し、同内周側のマグネット４３と、空隙４２b に挟まれた位置にはインナーブリッジ部４９を有する。マグネット４３は、長方形の断面を有しており、その長辺がロータコア４２の径方向と平行になるようにして、ロータコア４２の周方向に一定の間隔で並べられている。ロータコア４２の内周には、シャフト４１が設けられる。
本実施例のロータは、隣り合う２個のマグネット４３の挟角を充分狭く設計し、マグネット４３より発する磁束をロータコア４２表面に磁束集中させることにより、隣り合う２個のマグネット４３の挟角側の間のロータコア４２を意図的に磁束飽和させ、回転中のロータコア４２表面近くの部分での磁束密度変化を低減することで、ロータコア４２の鉄損を低く止め得る設計としている。
なお、ブリッジ部（アウターブリッジ部４８およびインナーブリッジ部４９）とブリッジ部の近傍が焼入れ処理により強化されていることは、第１実施例と同じである。また、このロータコア４２を用いた埋込磁石型回転電機の構造も第１実施例と同様である。

本発明のロータコアを用いた埋込磁石型回転電機は、低い鉄損を維持したまま、充分な高速回転化が可能となるため、工作機主軸や電気自動車用モータという用途にも適用できる。

１、１２ｂ、２１、４２ ロータコア
２、３、１２ｄ、２２、２３ マグネット装着孔
１１ アウターブリッジ部の一部
１２ センターブリッジ部の一部
１２ｆ、１５、２４、４８ アウターブリッジ部
１６、２５、４９ センターブリッジ部
１９ ロータ
２０、４３ マグネット
２１ｐ 鋼板
２６ アウターブリッジ部の近傍
２７ センターブリッジ部の近傍
２８、４１ シャフト
２９ 負荷側プレート
３０ 反負荷側プレート
３１ ステータコア
３２ ステータコイル
３３ フレーム
３４ 締結ボルト
３５ 負荷側ブラケット
３６ 反負荷側ブラケット
３７ 負荷側軸受
３８ 反負荷側軸受
３９ リード線
４０ エンコーダ部
４２ｂ 空隙
１００ 加熱電源
１０１ 上こて
１０２ 下こて
２００ 粉末噴射装置

Claims (6)

1. マグネット装着孔が内部に形成されたロータコアであって、
   前記ロータコアは、炭素鋼や合金鋼などの焼入れ性を有する鋼板であって、前記マグネット装着孔周りのブリッジ部と当該ブリッジ部の近傍とを焼入れ処理した鋼板を、積層してなることを特徴とするロータコア。
2. 前記焼入れ処理した鋼板は、積層する各々の積層面に、非導電性の皮膜または表面処理による非導電性の化合層を有することを特徴とする、請求項１記載のロータコア。
3. 請求項１または２に記載のロータコアを有する埋込磁石型回転電機。
4. マグネット装着孔が内部に形成されたロータコアの製造方法であって、
   炭素鋼や合金鋼などの焼入れ性を有する鋼板を、前記マグネット装着孔を含む所定の形状に成形する工程と、
   前記鋼板の前記マグネット装着孔周りのブリッジ部と当該ブリッジ部の近傍とを焼入れ処理する工程と、
   焼入れ処理した前記鋼板を積層する工程と、を含む、ロータコアの製造方法。
5. 前記焼入れ処理する工程において、前記鋼板の前記マグネット装着孔周りのブリッジ部と当該ブリッジ部の近傍は、加熱したこてを押し当てることにより焼入れ処理されることを特徴とする、請求項４記載のロータコアの製造方法。
6. 前記こては、誘導過熱によって加熱されることを特徴とする、請求項５記載のロータコアの製造方法。
   

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