JP2011239607A

JP2011239607A - 内磁形ロータおよびその磁石固定方法

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Publication number: JP2011239607A
Application number: JP2010110175A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Miura; 徹也三浦
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2010-05-12
Filing date: 2010-05-12
Publication date: 2011-11-24

Abstract

【課題】モータのトルク向上および高効率化を図れる内磁形ロータを提供する。
【解決手段】内磁形ロータは、磁化方向に垂直な２側面２３ａおよび磁化方向に平行な２側面２３ｂを含む矩形断面形状を有する永久磁石２２と、外周部近傍においてロータ軸方向に沿って形成され永久磁石２２が挿入される磁石挿入穴３４を有するロータコア１６と、磁石挿入穴３４内に挿入された永久磁石２２の２側面２３ａと磁石挿入穴３４の内壁面との間の第１の隙間に充填された、磁性材料粉を混入した第１樹脂材料３６と、磁石挿入穴３４内に挿入された永久磁石２２の２側面２３ｂと磁石挿入穴３４の幅方向両側の内壁面との間の第２の隙間に充填された、磁性材料粉を混入していない第２樹脂材料３８とを含む。
【選択図】図３

Description

本発明は、内磁形ロータおよびその磁石固定方法に関し、特に、ロータコアの外周部近傍においてロータ軸方向に沿って形成された磁石挿入穴内に永久磁石を挿入して固定した内磁形ロータおよびその磁石固定方法に関する。

従来、モータのロータにおいて、ロータ軸方向に延伸して形成された磁石挿入穴内に永久磁石を挿入して樹脂等により固定した内磁形ロータが知られている。

これに関連する技術として、例えば特開平９−３０８１４９号公報（特許文献１）には、モータの内磁形ロータにおいて、ロータコアに形成された磁石挿入穴とその中に挿入された永久磁石との間の隙間に樹脂を充填することにより、ロータコアの磁石挿入穴内に永久磁石を固定することが記載されている。

また、特開２０１０−１６９６１号公報（特許文献２）には、永久磁石埋め込み型モータのロータにおいて、スリット状に形成された磁石埋め込み孔の内壁とそこに埋め込まれる永久磁石との間の間隙に、導磁性の金属粉末のみを隙間なく充填することが記載されている。

特開平９−３０８１４９号公報特開２０１０−１６９６１号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、磁石挿入穴の内壁と永久磁石との間の隙間を大きく設定すると樹脂を隙間なく充填しやすくなるものの磁気抵抗が大きくなって磁束密度の低下につながり、逆に、上記隙間を小さく設定すると磁気抵抗の増加は抑制されるものの樹脂充填が困難になって永久磁石を固定する力が不十分となるという相反する課題がある。

また、特許文献２に記載の技術では、磁石埋め込み孔の内壁と永久磁石との間の間隙に、導磁性の金属粉末のみを隙間なく充填しようとすると、ロータを振動させながら充填する等しなければならず、特に、上記間隙が小さい場合には金属粉末が充填されずに隙間のまま残る部分が生じて磁気抵抗が不均一になるおそれがある。さらに、特許文献２の記載の技術では、矩形状断面をなす永久磁石の四方周囲の間隙に金属粉末を充填するため、永久磁石の磁化方向に垂直な方向の両端部での漏れ磁束量が多くなり、モータの磁気回路における磁束密度を効果的に向上させることができないという課題もある。

本発明の１つの目的は、モータのトルク向上および高効率化を図れる内磁形ロータおよびその磁石固定方法を提供することにある。また、本発明の別の目的は、簡易な固定方法で磁石挿入穴内に永久磁石をしっかりと固定できる内磁形ロータおよびその磁石固定方法を提供することにある。

本発明に係る内磁形ロータは、磁化方向に垂直な２側面および前記磁化方向に平行な２側面を含む矩形断面形状を有する永久磁石と、外周部近傍においてロータ軸方向に沿って形成され前記永久磁石が挿入される磁石挿入穴を有するロータコアと、前記磁石挿入穴内に挿入された永久磁石の前記磁化方向に垂直な２側面と前記磁石挿入穴の内壁面との間の第１の隙間に充填された、磁性材料粉を混入した第１樹脂材料と、前記磁石挿入穴内に挿入された永久磁石の前記磁化方向に平行な２側面と前記磁石挿入穴の内壁面との間の第２の隙間に充填された、磁性材料粉を混入していない第２樹脂材料と、を含むものである。

本発明に係る内磁形ロータにおいて、前記第１樹脂材料は、前記磁石挿入穴へ挿入前に前記永久磁石の前記磁化方向に垂直な２側面上にそれぞれ層状に形成されており、前記永久磁石が前記磁石挿入穴へ挿入されるときに第１樹脂材料層の余剰分が前記磁石挿入穴の開口縁部によって削り取られることによって前記第１樹脂材料が前記第１の隙間に充填されてもよい。

また、本発明に係る内磁形ロータにおいて、前記磁石挿入穴の開口部は、前記磁石挿入穴内に永久磁石が挿入された後に、前記永久磁石の軸方向両端面をそれぞれ覆う前記第２樹脂材料によって塞がれてもよい。

本発明に係る内磁形ロータの磁石固定方法は、ロータコアの外周部近傍においてロータ軸方向に沿って形成された磁石挿入穴内に永久磁石を挿入して固定する内磁形ロータの磁石固定方法であって、磁化方向に垂直な２側面および前記磁化方向に平行な２側面を含む矩形断面形状を有する永久磁石を前記磁石挿入穴に挿入する工程と、前記磁石挿入穴内に挿入された永久磁石の前記磁化方向に垂直な２側面と前記磁石挿入穴の内壁面との間の第１の隙間に、磁性材料粉を混入した第１樹脂材料を充填する工程と、前記磁石挿入穴内に挿入された永久磁石の前記磁化方向に平行な２側面と前記磁石挿入穴の内壁面との間の第２の隙間に、磁性材料粉を混入していない第２樹脂材料を充填する工程と、を含む。

本発明に係る内磁形ロータの磁石固定方法において、前記第１樹脂材料は、前記磁石挿入穴へ挿入前に前記永久磁石の前記磁化方向に垂直な２側面上にそれぞれ層状に形成されており、前記永久磁石が前記磁石挿入穴へ挿入されるときに第１樹脂材料層の余剰分が前記磁石挿入穴の開口縁部によって削り取られながら前記磁石挿入工程と前記第１樹脂材料充填工程とが同時に実施されてもよい。

また、本発明に係る内磁形ロータの磁石固定方法において、前記第２樹脂材料充填工程で、前記磁石挿入穴の挿入開口部は、前記磁石挿入穴内に永久磁石が挿入された後に、前記永久磁石の軸方向両端面をそれぞれ覆う前記第２樹脂材料によって塞がれてもよい。

本発明に係る内磁形ロータおよびその磁石固定方法によれば、磁石挿入穴内に挿入された永久磁石は第１の隙間に充填された第１樹脂材料と第２の隙間に充填された第２樹脂材料とによってしっかりとロータ内に固定されることができる。

また、上記第１の隙間に磁性材料粉が混入された第１樹脂材料が充填されていることで、上記第１の隙間がエアギャップであるか又は磁性材料粉が混入されていない樹脂が充填されている場合に比べて、モータの磁気回路における透磁率が向上して磁束密度が増加するとともに、上記第２の隙間には比較的透磁率が低い磁性材料未混入の第２樹脂材料が充填されていることにより漏れ磁束を抑制できる。これにより、永久磁石のＢ−Ｈ曲線（磁気ヒステリシス曲線）における動作点をより高磁束密度側で使用することが可能になり、その結果、モータのトルク増加および高効率化を図れるとともに、反磁界の低減による耐減磁性能も向上させることができる。

本発明の一実施の形態である内磁形ロータの断面図である。図１に示すロータコアの正面図である。１つの磁石挿入穴を示す拡大図であり、（ａ）は第１樹脂材料が充填された状態、（ｂ）は第２樹脂材料が充填された状態を示す。（ａ）は磁石挿入穴に永久磁石が挿入されようとする様子を示す図であり、（ｂ）は磁石挿入穴内に永久磁石が挿入された後に第２樹脂材料が充填された様子を示す図である。本実施形態の内磁形ロータにおける永久磁石の動作点を示すＢ−Ｈ曲線の一部を示す図である。

以下に、本発明に係る実施の形態について添付図面を参照しながら詳細に説明する。この説明において、具体的な形状、材料、数値、方向等は、本発明の理解を容易にするための例示であって、用途、目的、仕様等にあわせて適宜変更することができる。

図１は、本発明に係る一実施形態である内磁形ロータ（以下、適宜にロータとだけいう）１０のロータ軸方向（矢印Ａ方向）に沿った断面を示す。ロータ１０は、フランジ部１２を有するロータシャフト１４と、ロータシャフト１４の外周に固定されたロータコア１６と、ロータコア１６の軸方向両側に設けられたエンドプレート１８とを備える。

ロータコア１６およびこれを軸方向両側から挟持するエンドプレート１８は、フランジ部１２に対して軸方向に押圧された状態で環状または筒状のカシメ部材２０がロータシャフト１４上にカシメられることによってロータシャフト１４に固定されている。エンドプレート１８は、軽量で低コストのアルミニウム円板によって構成されるのが好ましい。

円柱状の外形をなすロータコア１６は、多数の電磁鋼板を積層してカシメ等により一体に連結して構成されている。ロータコア１６の内部には、永久磁石２２が軸方向に延伸して設けられている。また、ロータコア１６には、軽量化によりロータ１０が回転し易くなるように、軸方向に貫通する重量軽減穴２４が形成されている。

図２はロータコア１６の正面図である。図２を参照すると、ロータコア１６は、円板状に打ち抜き加工された電磁鋼板１７が積層されて構成されており、その中央部にはシャフト取付穴２６が貫通して形成されている。シャフト取付穴２６の内周縁部には、径方向に対向する位置に一対のキー２８が突設されている。これらのキー２８は、ロータシャフト１４の外周面上に形成される図示しないキー溝に嵌合して、ロータコア１６がロータシャフト１４に対して回転するのを規制する。

ロータコア１６において、シャフト取付穴２６の外周であって周方向の均等位置に、複数（本実施形態では８つ）の重量軽減穴２４が形成されている。また、各重量軽減穴２４のさらに外周には、小さい矩形状に示される複数のカシメ凹部３０が形成されている。これらのカシメ凹部３０によって図２の紙面奥行き方向へ押し込まれてカシメられることにより、積層された各電磁鋼板が一体に連結固定されている。ただし、ロータコア１６を構成する多数の電磁鋼板は、例えば接着、溶接等の他の方法を単独でまたは併せて用いて一体に連結されてもよい。

ロータコア１６は、外周部近傍であって周方向に均等な位置に複数（本実施形態では８つ）の磁極３２を有する。各磁極３２は、ロータコア１６の内部に埋設された２つの永久磁石２２によってそれぞれ構成されている。１つの磁極３２をなす一対の永久磁石２２は、略Ｖ字状をなすように配置されている。すなわち、一対の永久磁石２２は、扁平矩形状の端面形状および断面形状を有しており、それぞれ周方向に対向する一対の永久磁石２２の各端部がロータコア１６の中心側へ若干ずれて位置しており、そこから一対の永久磁石２２がロータコア１６の外周面に向かって略Ｖ字状に拡がるように配置されている。

上記のような各磁極３２を構成する一対の永久磁石２２の配置は、ロータコア１６に形成された磁石挿入穴３４によって実現される。すなわち、各磁極３２に対応して２つの磁石挿入穴３４が上記のような略Ｖ字状配置でそれぞれ形成されており、各磁石挿入穴３４内に永久磁石２２がそれぞれ挿入されて固定されている。

次に、図３および４を参照して、本実施形態のロータ１０における永久磁石２２の固定方法について詳細に説明する。図３はロータ軸方向から見た１つの磁石挿入穴３４を拡大して示しており、（ａ）は第１樹脂材料３６が充填された状態、（ｂ）は第２樹脂材料３８が充填された状態をそれぞれ示す。また、図４（ａ）は磁石挿入穴３４に永久磁石２２が挿入されようとする様子を示す図であり、図４（ｂ）は磁石挿入穴３４内に永久磁石２２が挿入された後に第２樹脂材料３８が充填された様子を示す図である。

ここでは一対の磁石挿入穴３４のうち１つの磁石挿入穴３４に挿入されている１つの永久磁石２２について説明するが、対をなすもう１つの磁石挿入穴３４およびそこに挿入された永久磁石２２は鏡面対称をなして形成および配置されているだけであって実質的には同じである。

図３（ａ）を参照すると、永久磁石２２は、幅ｗで厚さｔ１の扁平長方形の端面形状を有するととともに、ロータコア１６の軸方向長さよりも少し短い長さに形成されている。そして、永久磁石２２は、矢印Ｂで示すように厚み方向に沿って磁化方向が形成されるように予め磁気異方性を有している。これにより、永久磁石２２は、磁化方向に垂直な２つの側面２３ａを有するとともに、磁化方向に平行な２つの側面２３ｂを有している。永久磁石２２の軸方向の両端面もまた、磁化方向に平行な２つの端面または側面２３ｃ（図４（ａ）参照）であるといえる。

一方、ロータコア１６の軸方向両端面に開口部を有する磁石挿入穴３４は、その開口部から永久磁石２２を軸方向へ挿入可能なように、永久磁石２２の厚みｔ１よりも少し大きい開口幅ｔ２に形成されている。これにより、永久磁石２２が磁石挿入穴３４内に挿入されたとき、磁石挿入穴３４の内壁と永久磁石２２の磁化方向に垂直な２側面２３ａとの間に第１の隙間（幅ｔ３）がそれぞれ形成されることなる。なお、磁石挿入穴３４は、第１の隙間が永久磁石２２の幅方向の両端に対応する位置で若干大きくなるように形成されている。これにより、下記の漏れ磁束抑制穴と協働して、永久磁石２２の両端部における漏れ磁束量を抑制している。

また、磁石挿入穴３４は、永久磁石２２の幅ｗよりも両側へ大きめに拡張されており、曲面状の内壁面を有する漏れ磁束抑制穴４０がその一部としてそれぞれ形成されている。そして、これら漏れ磁束抑制穴４０の内壁と、永久磁石２２の磁化方向に平行な２側面２３ｂとの間に形成される第２の隙間には、後述するように第２樹脂材料３８が充填されることになる。なお、漏れ磁束抑制穴４０の形状は、図示するような形状のものに限定されるものではなく、単純な矩形状や半円状の開口輪郭を有するように形成されてもよい。

続いて、ロータコア１６の磁石挿入穴３４内に永久磁石２２が固定される手順について説明する。

図４（ａ）を参照すると、永久磁石２２の磁化方向（矢印Ｂ方向）に垂直な２側面２３ａ上には、第１樹脂材料層３７が塗布等の方法によって予め形成されている。このとき、両側の第１樹脂材料層３７も含めた永久磁石２２の厚みｔ４は、ロータコア１６の磁石挿入穴３４の開口縁部３５間の距離、すなわちロータコア１６の軸方向端面に形成された磁石挿入穴３４の開口幅ｔ２よりも大きく形成されている。

ここで上記第１樹脂材料層３７には磁性材料粉が混入されている。この磁性材料粉は、軟磁性体または硬磁性体のいずれの粉であってもよく、例えば、鉄、ニッケル、コバルト、タングステン、ネオジウム等の粉または微粒子を好適に用いることができる。

そして、上記のような第１樹脂材料層３７が両側面２３ａに形成された永久磁石２２を、ロータコア１６の軸方向端面から磁石挿入穴３４内に挿入する。このとき、第１樹脂材料層３７を含む永久磁石２２の厚みｔ４が磁石挿入穴３４の開口幅ｔ２よりも大きいため、第１樹脂材料層３７のうち余剰となる分については磁石挿入穴３４の開口縁部３５によって削り取られながら永久磁石２２が磁石挿入穴３４内へ挿入されていく。そして、軸方向の両側端面２３ｃがロータコア１６の軸方向両端面よりも少し奥まっている位置まで永久磁石２２を挿入したところで挿入動作を終了する。

このようにして磁石挿入穴３４内に挿入された永久磁石２２の上記２側面２３ａと、磁石挿入穴３４の内壁３４ａとの間の第１隙間には、図３（ａ）および図４（ｂ）に示すように、上記開口縁部３５によって削り取られなかった残こりの第１樹脂材料３６が隙間無く充填された状態になる。この様子が第１樹脂材料３６を表す点描部分で示されている。この場合、永久磁石２２の挿入と第１樹脂材料３６の充填とが同時に行われることになる。

その後、ロータコア１６が型内にセットされ、磁石挿入穴３４の幅方向両側にそれぞれ位置する漏れ磁束抑制穴４０内に第２樹脂材料３８が射出成形等によって充填される。このとき第２樹脂材料３８は、図３（ｂ）および図４（ｂ）にハッチングで示すように、磁石挿入穴３４内に挿入されている永久磁石２２の軸方向両端面２３ｃをそれぞれ覆って磁石挿入穴３４の軸方向両端の開口部を塞ぐように設けられるのが好ましい。このように第２樹脂材料３８を設けることで、磁石挿入穴３４内での永久磁石２２の軸方向位置が完全に固定されるため、永久磁石２２がロータコア１６内で軸方向にがたつくことがない。

漏れ磁束抑制穴４０の内壁と永久磁石２２の磁化方向に平行な２側面２３ｂとの間の第２の隙間に充填される第２樹脂材料には磁性材料粉が混入されていない。また、第２樹脂材料３８には、例えばエポキシ樹脂等の接着性の強い熱硬化性樹脂が好適に用いられるが、熱可塑性樹脂が用いられてもよい。さらに、第２樹脂材料３８は、第１樹脂材料３６を構成する樹脂材料と同じ樹脂材料のものであってもよいし、異なる樹脂材料であっても構わない。

上述したように本実施形態のロータ１０によれば、磁石挿入穴３４内に挿入された永久磁石２２は第１の隙間に充填された磁性材料粉混入の第１樹脂材料３６と第２の隙間に充填された磁性材料粉未混入の第２樹脂材料３８とによって簡易な固定方法で強固にロータコア１６内に固定されることができる。

また、永久磁石２２の磁化方向に垂直な２側面２３ａと磁石挿入穴３４の内壁面３４ａとの間の第１の隙間に磁性材料粉が混入された第１樹脂材料３６が隙間無く充填されていることで、上記第１の隙間がエアギャップであるか又は磁性材料粉が混入されていない樹脂で充填されている場合に比べて、ロータ１０が組み込まれたモータの磁気回路における透磁率が向上して磁束密度が増加する。加えて、磁石挿入穴３４の一部として連通して形成されている漏れ磁束抑制穴４０の内壁面と永久磁石２２の磁化方向に平行な２側面２３ｂとの間の第２の隙間には、第１樹脂材料３６と比較して透磁率が低い磁性材料未混入の第２樹脂材料３８が充填されていることにより、永久磁石２２の幅方向両端での漏れ磁束を抑制できる。これらのことから、ロータ１０を組み込んだモータにおいてトルク増加および高効率化を図ることができる。

図５は、本実施形態の内磁形ロータ１０における永久磁石２２の動作点を示すＢ−Ｈ曲線の一部を示す図である。図５を参照すると、符合５０は本実施形態のロータ１０における永久磁石２２の動作点を示し、符号５２は、同じ永久磁石を用いた場合であっても第１の隙間がエアギャップであるか又は磁性材料未混入の樹脂で充填されているときの永久磁石の動作点を示す。本実施形態のロータ１０では、上記のようにモータ磁気回路における透磁率が向上して磁束密度を増加させることで、永久磁石２２をより高磁束密度側の動作点５０で使用することが可能になる。その結果、モータのトルク増加および高効率化を図ることができる。また、図５中において符合５４は減磁反磁界Ｈ_LIMの限界点を示すものであり、反磁界が強くなってこの限界点５４よりも磁束密度が低下すると矢印Ｃで示すように永久磁石２２が非可逆的に減磁してモータ故障につながるが、本実施形態の内磁形ロータ１０では、上記限界点５４よりもかなり磁束密度が高い動作点５０での使用が可能になるため耐減磁性能も向上させることができる。

なお、本発明に係る内磁形ロータおよびは、上述した実施形態の構成に限定されるものではなく、種々の変更や改良が可能である。

例えば、上記においては磁性材料粉を混入した第１樹脂材料３６は、永久磁石２２上に予め層状に形成しておくものとして説明したが、これに限定されるものではなく、第２樹脂材料３８の場合と同様に射出成形等によって充填してもよい。この場合は、漏れ磁束抑制穴４０内に閉塞材を入れ込んだ上で上記第１樹脂材料の充填を行い、その後、上記閉塞材を取り出してから第２樹脂材料３８の充填を行えばよい。

１０内磁形ロータ、１２フランジ部、１４ロータシャフト、１６ロータコア、１７電磁鋼板、１８エンドプレート、２０カシメ部材、２２永久磁石、２３ａ磁極方向に垂直な側面、２３ｂ磁極方向に平行な側面、２３ｃ端面、２４重量軽減穴、２６シャフト取付穴、２８キー、３０カシメ凹部、３２磁極、３４磁石挿入穴、３４ａ内壁面、３５開口縁部、３６第１樹脂材料、３７第１樹脂材料層、３８第２樹脂材料、４０漏れ磁束抑制穴、５０，５２動作点。

Claims

磁化方向に垂直な２側面および前記磁化方向に平行な２側面を含む矩形断面形状を有する永久磁石と、
外周部近傍においてロータ軸方向に沿って形成され前記永久磁石が挿入される磁石挿入穴を有するロータコアと、
前記磁石挿入穴内に挿入された永久磁石の前記磁化方向に垂直な２側面と前記磁石挿入穴の内壁面との間の第１の隙間に充填された、磁性材料粉を混入した第１樹脂材料と、
前記磁石挿入穴内に挿入された永久磁石の前記磁化方向に平行な２側面と前記磁石挿入穴の内壁面との間の第２の隙間に充填された、磁性材料粉を混入していない第２樹脂材料と、
を含む内磁形ロータ。
請求項１に記載の内磁形ロータにおいて、
前記第１樹脂材料は、前記磁石挿入穴へ挿入前に前記永久磁石の前記磁化方向に平行な２側面上にそれぞれ層状に形成されており、前記永久磁石が前記磁石挿入穴へ挿入されるときに第１樹脂材料層の余剰分が前記磁石挿入穴の開口縁部によって削り取られることによって前記第１樹脂材料が前記第１の隙間に充填されることを特徴とする内磁形ロータ。
請求項１または２に記載の内磁形ロータにおいて、
前記磁石挿入穴の開口部は、前記磁石挿入穴内に永久磁石が挿入された後に、前記永久磁石の軸方向両端面をそれぞれ覆う前記第２樹脂材料によって塞がれることを特徴とする内磁形ロータ。
ロータコアの外周部近傍においてロータ軸方向に沿って形成された磁石挿入穴内に永久磁石を挿入して固定する内磁形ロータの磁石固定方法であって、
磁化方向に垂直な２側面および前記磁化方向に平行な２側面を含む矩形断面形状を有する永久磁石を前記磁石挿入穴に挿入する工程と、
前記磁石挿入穴内に挿入された永久磁石の前記磁化方向に垂直な２側面と前記磁石挿入穴の内壁面との間の第１の隙間に、磁性材料粉を混入した第１樹脂材料を充填する工程と、
前記磁石挿入穴内に挿入された永久磁石の前記磁化方向に平行な２側面と前記磁石挿入穴の内壁面との間の第２の隙間に、磁性材料粉を混入していない第２樹脂材料を充填する工程と、
を含む内磁形ロータの磁石固定方法。
請求項４に記載の内磁形ロータの磁石固定方法において、
前記第１樹脂材料は、前記磁石挿入穴へ挿入前に前記永久磁石の前記磁化方向に平行な２側面上にそれぞれ層状に形成されており、前記永久磁石が前記磁石挿入穴へ挿入されるときに第１樹脂材料層の余剰分が前記磁石挿入穴の開口縁部によって削り取られながら前記磁石挿入工程と前記第１樹脂材料充填工程とが同時に実施されることを特徴とする内磁形ロータの磁石固定方法。
請求項４または５に記載の内磁形ロータの磁石固定方法において、
前記第２樹脂材料充填工程で、前記磁石挿入穴の挿入開口部は、前記磁石挿入穴内に永久磁石が挿入された後に、前記永久磁石の軸方向両端面をそれぞれ覆う前記第２樹脂材料によって塞がれることを特徴とする内磁形ロータの磁石固定方法。