JP2012039746A - 磁石挿入方法、ロータ及び電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】電動機のロータコアに、永久磁石を挿入する際の作業性を向上する磁石挿入方法を提供する。
【解決手段】金属板を複数積層して構成されるロータコアに形成された磁石挿入孔に、永久磁石を挿入する磁石挿入方法であって、複数の磁石片を積層して固定することによって永久磁石を形成する磁石形成工程と、磁石挿入孔の内壁に、球状の粒子を分散して含む接着剤を塗布する接着剤塗布工程と、磁石挿入孔に永久磁石を挿入する磁石挿入工程と、挿入された永久磁石が接着剤によってロータコアに固定する磁石固定工程と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、電動機のロータに永久磁石を挿入する磁石挿入方法に関する。

コイルに電流を流すことにより磁界を発生して、永久磁石を備えるロータを回転させることによって駆動力を得る電動機が知られている。

ロータは、積層された電磁鋼板に形成されたスロット内に永久磁石を挿入することによって構成される。

このような電動機において、出力を増加するために回転数を増加すると、永久磁石に作用する磁界の変動率が大きくなる。その結果として、永久磁石に渦電流が生じ、永久磁石が発熱する。

この渦電流による発熱の対策として、永久磁石を割断して二以上の割断片を形成し、隣接する割断片の割断面同士を嵌め合わせて元の形の永久磁石を復元することにより、永久磁石に発生する渦電流を小さくするもの（特許文献１参照。）が知られている。

特開２００９−１４２０８１号公報

ロータは電磁鋼板を多数積層して構成されるが、電磁鋼板の製造公差等により積層ズレが発生する。また、クラッキングした永久磁石を再び接合した場合も、磁石辺の間に積層ズレが発生する。そのため、スロット内に永久磁石を挿入するときに、積層ズレ部分に永久磁石が引っかかり、挿入が困難となるという問題があった。

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、電動機のロータコアに、永久磁石を挿入する際の作業性を向上して、生産性を向上することができる磁石挿入方法を提供することを目的とする。

本発明の一実施態様によると、金属板を複数積層して構成されるロータコアに形成された磁石挿入孔に、永久磁石を挿入する磁石挿入方法である。磁石挿入方法は、複数の磁石片を積層して固定することによって永久磁石を形成する磁石形成工程と、磁石挿入孔の内壁に、球状の粒子を分散して含む接着剤を塗布する接着剤塗布工程と、磁石挿入孔に永久磁石を挿入する磁石挿入工程と、挿入された永久磁石が接着剤によってロータコアに固定する磁石固定工程と、を備えることを特徴とする。

本発明によると、ロータコアの磁石挿入孔に永久磁石を挿入する際に、接着剤に含まれた球状の粒子が、永久磁石及び磁石挿入孔それぞれの段差を埋め、挿入時のガイドとして働く。これにより、磁石挿入工程における作業性及び不止まりを向上して、電動機の生産性を向上することができる。

本発明の実施形態のロータの断面図である 本発明の実施形態の永久磁石の構成を示す説明図である。 本発明の実施形態の永久磁石の内部に発生する渦電流の説明図である。 本発明の実施形態の永久磁石の製造工程を示す図である。 本発明の実施形態の永久磁石を挿入する説明図である。 本発明の実施形態の永久磁石及び磁石挿入孔に形成される段差の説明図である 本発明の実施形態の磁石挿入工程での作業性の向上を示す説明図である。

以下に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

図１は本発明の実施形態の電動機１０のロータ５０の断面図である。図１（Ａ）はロータ５０の縦断面図であり、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）のＡ−Ａ断面図である。

本実施形態の電動機１０は、ロータ５０の周囲にステータが配置され、ステータにＵ相、Ｖ相、Ｗ層からなる三相交流を印加することによって回転磁界を発生し、ステータの内側に回転可能に支持されるロータ５０を回転するものである。なお、この電動機１０は、例えば電動自動車の駆動用モータとして用いることができる。

ロータ５０は、薄板状の電磁鋼板５１ａを多数積層して構成されたロータコア５１と、ロータコア５１に挿入された複数の永久磁石４０とから構成される。

ロータコア５１は、あらかじめ所定の形状にプレス成形された電磁鋼板５１ａを複数積層し、積層された電磁鋼板５１ａを、接着やかしめ等によって一体に形成する。

ロータコア５１は、永久磁石４０を収容する磁石挿入孔５２と、回転軸を固定する軸用孔５３と、ロータ５０の冷却のための通気孔５４と、が形成されている。これら磁石挿入孔５２と通気孔５４とは、軸用孔５３の中心に対して点対称に複数形成されている。

なお、本実施形態の磁石挿入孔５２は、ロータコア５１の周方向に等間隔に配置されるとともに、これら配置された磁石挿入孔５２のそれぞれに対して、径方向内側に、ハの字状に二つの磁石挿入孔５２が配置されている。

図２は、本実施形態の永久磁石４０の構成を示す説明図である。

磁石挿入孔５２に挿入される永久磁石４０は、あらかじめ所定の形状に形成された後、ロータコア５１の軸方向に複数の磁石片４１に分割する。永久磁石４０は、これら磁石片４１を接着材等により再び接合して、元の所定の形状に再構成して構成される。

永久磁石４０は、ロータコア５１の磁石挿入孔５２に挿入する。このとき、あらかじめ磁石挿入孔５２の内側に接着剤を塗布しておき。ここに永久磁石４０を挿入する。その後、接着剤を硬化することにより、永久磁石４０がロータコア５１に固定される。

なお、永久磁石４０を複数の磁石片４１に分割する目的は、渦電流による発熱を抑制する目的である。

図３は、電動機１０の回転時における、複数の磁石片４１に分割した永久磁石４０と、分割しない永久磁石４０との内部に発生する渦電流の説明図である。

電動機１０において、出力を増加するために回転数を増加すると、永久磁石４０に作用する磁界の変動率が大きくなる。その結果として、永久磁石４０に渦電流が生じ、永久磁石が加熱する。このとき、永久磁石４０の体積が大きければ、永久磁石４０の内部に流れる電流も大きくなり、発熱も大きくなる（図３（Ａ））。発熱は永久磁石４０の効率を低下させて、電動機１０の駆動効率が低下するので、熱の発生を抑えることが望ましい。

この渦電流による熱発生の対策として、永久磁石４０を複数の磁石片４１に分割して表面積を小さくし、これらを、磁石片４１を絶縁する樹脂により積層して固定する（図３（Ｂ））。これにより、磁石片４１に発生する渦電流の経路が短くなるので、渦電流による発熱が抑えられる。なお、永久磁石４０を複数の磁石片４１に分割する方法として、研削による方法や、磁石に溝を形成してこれを破断するクラッキングによる方法がある。一般的に、クラッキングによる分割が費用面で有利であるので広く用いられており、本実施形態では、永久磁石４０は、クラッキングにより形成する場合を説明する。なお、クラッキングにより形成する永久磁石４０を、クラッキング磁石とも呼ぶ。

次に、電動機１０のロータ５０の製造方法を説明する。

まず、永久磁石４０の製造方法について説明する。

図４は、本実施形態の永久磁石４０の製造工程を示す図である。なお、この図４及び図５の各工程は、主に作業者が人手により行うか又は産業用ロボット等により自動的に実行される。

まず、酸化鉄や希土類、各種元素からなる磁性体の粉末を矩形の型枠に挿入し、これに磁場を印加しながらプレス等によって押し固める（形成工程）。

次に、押し固められた材料を真空焼結炉に投入して、所定温度を加えて所定時間焼結する（焼結工程）。

次に、焼結された材料を、薄板状の所望の大きさに切断し、表面を研磨する（切削工程）。以上の工程により、薄板状の永久磁石４０が製造される。

次に、製造された永久磁石４０のクラッキング及び再接合を行う。

まず、製造された永久磁石４０を、所望の大きさの磁石片４１に分割するために、分割片ごとの溝を形成する（溝入れ工程）。溝の形成は、例えばレーザ加工により行う。

次に、形成された溝の周囲に発生したバリを研削して除去する（バリ取り工程）。

次に、形成された溝により永久磁石４０を複数の磁石片４１に分割する（クラッキング工程）。クラッキングは、例えば、形成された溝の周囲を支点で支持するとともに、形成された溝の逆側の面からブレードで力を加えることにより溝部分を破断して、磁石片４１に分割する。

次に、分割されたそれぞれの磁石片４１を積層して、絶縁性の樹脂により接合する。接合したのち、永久磁石４０を加熱して樹脂を硬化させる（積層接着・加熱硬化工程）。

次に、接合された永久磁石４０に所定の磁力を印加して、永久磁石４０を着磁する（着磁工程）。

以上のような工程によって、クラッキング磁石である永久磁石４０が製造される。

次に、このようにして形成された永久磁石４０をロータコア５１に挿入して固定する工程を説明する。

図５は、本実施形態のロータコア５１の磁石挿入孔５２に永久磁石４０を挿入する説明図である。

ロータ５０は高速で回転するため、永久磁石４０に大きな遠心力が作用するので、これに耐えるために、ロータ内部で固定される必要がある。固定方法には、モールドによる方法や接着による方法があるが、本実施形態では、接着剤を用いて固定する場合について説明する。

まず、ロータコア５１の磁石挿入孔５２の内側に接着剤を塗布する（接着剤塗布工程）。接着剤の塗布箇所は、磁石挿入孔５２に永久磁石４０を挿入したときに、断面長方形の永久磁石の４０の四つの角付近とする。

接着剤を塗布した後、磁石挿入孔５２に、永久磁石４０を挿入する（磁石挿入工程）。

磁石挿入孔５２に永久磁石４２を挿入した後、ロータコア５１を所定の温度で所定時間加熱して、接着剤を硬化させる（接着剤加熱硬化工程）。

以上の手順により、ロータ５０が製造される。

なお、製造されたロータ５０は、次に、軸用孔５３に回転軸を挿入する。そし、電磁鋼板を積層したステータコアにコイルを巻き回した円筒状のステータにロータ５０を挿入し、ステータ及びロータ５０を円筒状のケースに収容することによって、電動機が製造される。

次に、本実施形態の磁石挿入工程について詳細に説明する。

従来、クラッキング工程により形成した永久磁石４０を、電磁鋼板５１ａを積層して形成したロータコア５１の磁石挿入孔５２に挿入する磁石挿入工程では、次のように段差による作業性の低下が問題となっていた。

図６は、本実施形態の永久磁石４０及び磁石挿入孔５２に形成される段差の説明図である。

前述の磁石挿入工程において、永久磁石４０は、治具６０によってガイドされて、磁石挿入孔５２に挿入する。

永久磁石４０は、複数の磁石片４１に分割され、これら磁石片４１の間に絶縁性の樹脂を挟み込んで積層している。このため、樹脂と磁石片４１との線膨張係数の違いによって、分割前の形状そのままには成形できない。このため、磁石片４１の間に積層ズレが発生する。この積層ズレは、永久磁石４０をロータコア５１の磁石挿入孔５２に挿入するときに引っ掛かりを発生させる原因となる。永久磁石４０が引っ掛かることにより挿入の作業性が悪化する。

また、ロータコア５１は、永久磁石と同様に渦電流による発熱を低減させるため、薄板の電磁鋼板５１ａを多数積層して構成している。そのため、電磁鋼板５１ａの肉厚分布のバラツキによって積層ズレが生じる。この積層ズレは、永久磁石４０をロータコア５１の磁石挿入孔５２に挿入するときに引っ掛かりを発生させる原因となり、やはり、永久磁石４０が引っ掛かることにより挿入の作業性が悪化する。

また、磁石挿入孔５２に塗布する接着剤は、下方に漏出しないようにある程度粘度が高いもの用いる。これにより、永久磁石４０と磁石挿入孔５２とのクリアランスが接着剤によって埋まる。そのため、積層ズレにより永久磁石４０が磁石挿入孔５２の途中で引っ掛かると、引っ掛かりを修正するために永久磁石４０をロータコア５１の軸方向に対して垂直に動かすことが難しい。

また、永久磁石４０は、分割された磁石片４１を絶縁樹脂により接合している。積層ズレにより永久磁石４０が磁石挿入孔５２の途中で引っ掛かったとき、引っ掛かりを修正するために永久磁石４０の長手方向に対して横方向に過度な力を加えると、接合部分が剥離しやすい。

以上のように、従来の磁石挿入工程では、永久磁石４０を磁石挿入孔５２に挿入するときに永久磁石４０が、引っ掛かり、作業効率が低下するという問題がある。

そこで、本発明の実施の形態では、次のような特徴的な構成により、永久磁石４０が磁石挿入孔５２に引っ掛かることを防止して、作業効率を向上することができるように構成した。

図７は、本実施形態の磁石挿入工程での作業性の向上を示す説明図である。

本実施形態では、磁石挿入孔５２に塗布する接着剤に、予め、球状の粒子を混入した。なお球状の粒子は、例えばシリカ（二酸化ケイ素）によって構成される。

磁石挿入工程において、永久磁石４０を、ロータ５０の軸方向から磁石挿入孔に滑り込ませる。永久磁石４０は、前工程の着磁工程において磁化されているので，ロータの中心方向に吸い付きながら自動的に吸い込まれていく。

このとき、球状のシリカ粒子が，永久磁石４０の磁石片４１間の積層段差及びロータコア５１の電磁鋼板５１ａ間の積層段差に入り込む。これにより、球状のシリカ粒子がガイドの働きをして、永久磁石４０の段差及び磁石挿入孔５２の内壁の段差が引っ掛かることなく、容易に永久磁石４０を挿入することができる。

なお、球状のシリカ粒子は、直径が次のような大きさであることが望ましい。

永久磁石４０と磁石挿入孔５２とのクリアランスよりもシリカ粒子が大きい場合は永久磁石４０が挿入できないため、シリカ粒子の直径Ｆは、このクリアランスよりも小さくする。具体的には、次の数式１のような直径に設定する。

Ｆ≦Ｃ＝（Ａ−Ｂ）／２ ・・・ （１）
ただし、
Ｆ：シリカ粒子の直径
Ｃ：クリアランス
Ａ：磁石挿入孔５２の幅
Ｂ：永久磁石４０の厚さ

また、永久磁石４０における磁石片４１による段差よりもシリカ粒子が小さい場合は、シリカ粒子がガイドとして働かないので、シリカ粒子の直径Ｆは永久磁石４０の積層ズレよりも大きくする。具体的には、次の数式２のような直径に設定する。

Ｆ≧Ｄ ・・・ （２）
ただし、
Ｄ：磁石片４１の間に発生する積層ズレの最大値

なお、この磁石片４１の間に発生する積層ズレの最大値Ｄは、実験や製造公差に基づいて、予め設定しておく。

また、ロータコア５１の電磁鋼板５１ａによる段差よりもシリカ粒子が小さい場合は、やはり、シリカ粒子がガイドとして働かないので、シリカ粒子の直径Ｆはロータコア５１の積層ズレよりも大きくする。具体的には、次の数式３のような直径に設定する。

Ｆ≧Ｅ ・・・ （３）
ただし、
Ｅ：電磁鋼板５１ａの間に発生する積層ズレの最大値

なお、この電磁鋼板５１ａの間に発生する積層ズレの最大値Ｅは、実験や製造公差に基づいて、予め設定しておく。

従って、球状のシリカ粒子の直径Ｆは、前述の数式１、数式３及び数式３を全て満たす値に設定する。

以上のように、本発明の実施の形態のロータ５０は、ロータコア５１の磁石挿入孔５２に永久磁石４０を挿入する磁石挿入工程において、磁石挿入孔５２に塗布する接着剤に、球状の粒子（シリカ粒子）を混入させておく。

この球状のシリカ粒子は、永久磁石４０の積層ズレやロータコア５１の積層ズレによって発生する段差に入り込み、シリカ粒子の表面の球面が永久磁石４０の表面を滑ることによりガイドとして働く。

これにより、永久磁石４０が、段差によって引っ掛かることによる磁石挿入工程の作業性の悪化や製品の歩留まり低下を防止して、作業性を向上することができる。従って、このように製造される電動機のロータ５０及び電動機の生産性を向上することができる。

また、磁石挿入工程の前に永久磁石４０を着磁する着磁工程を行うので、磁化された永久磁石４０が、磁石挿入孔５２の内部へと磁力によって吸い寄せられるので、挿入が容易となり、作業性が向上する。

また、球状の粒子は、シリカ粒子によって構成されるので、接着剤の性質や永久磁石４０の磁力、ロータ５０が受ける磁束等に何ら影響を与えることなく、作業性を向上することができる。また、シリカ粒子は、その直径を比較的低コストに制御することができるので、製造コストを上昇させることがない。

また、球状のシリカ粒子は、永久磁石４０と磁石挿入孔５２とのクリアランスよりも小さく、かつ、磁石片４１同士の積層ズレ及び電磁鋼板５１ａ同士の積層ズレによる段差よりも大きく形成した。これにより、球状のシリカ粒子は永久磁石４０を挿入するときのガイドとして働き、磁石挿入工程の作業性を向上することができる。

１０ 電動機
４０ 永久磁石
４１ 磁石片
４２ 永久磁石
５０ ロータ
５１ ロータコア
５１ａ 電磁鋼板
５２ 磁石挿入孔

Claims (7)

1. 金属板を複数積層して構成されるロータコアに形成された磁石挿入孔に、永久磁石を挿入する磁石挿入方法であって、
   複数の磁石片を積層して固定することによって永久磁石を形成する磁石形成工程と、
   前記磁石挿入孔の内壁に、球状の粒子を分散して含む接着剤を塗布する接着剤塗布工程と、
   前記磁石挿入孔に前記永久磁石を挿入する磁石挿入工程と、
   前記挿入された永久磁石を前記接着剤によって前記ロータコアに固定する磁石固定工程と、
   を備えることを特徴とする磁石挿入方法。
2. 前記磁石形成工程は、前記永久磁石を着磁する着磁工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の磁石挿入方法。
3. 前記球状の粒子は、球状のシリカ粒子から構成されることを特徴とする請求項１または２に記載の磁石挿入方法。
4. 前記球状の粒子の直径は、前記磁石挿入孔の幅と前記永久磁石の厚みとの差、前記永久磁石の磁石片同士の段差、及び、前記ロータコアの金属板同士の段差、に基づいて、予め決定されることを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の磁石挿入方法。
5. 前記球状の粒子の直径は、前記磁石挿入孔の幅と前記永久磁石の厚みとの差よりも小さく、かつ、前記磁石片同士の段差及び前記金属片同士の段差よりも大きいことを特徴とする請求項４に記載の磁石挿入方法。
6. 前記ロータコアに、前記請求項１から請求項５に記載の磁石挿入方法によって前記永久磁石が挿入されて製造されることを特徴とする電動機のロータ。
7. 前記請求項６に記載の前記ロータと、前記ロータに接合される回転軸と、前記ロータの周囲に備えられるステータと、前記ロータ及びステータを収納するケースと、を備えることを特徴とする電動機。

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