JP2013009452A - ロータの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ロータコアのスロット部に磁石材料を挿入した上でそのスロット部に樹脂材料を充填するにあたり、スロット部内での磁石材料の位置や姿勢の安定化を図る。
【解決手段】スロット部３に磁石材料９が挿入されたロータコア２を下型６と上型７とで加圧拘束し、スロット部３と磁石材料９との間の隙間Ｇに樹脂材料５を充填して、いわゆる樹脂モールドにて磁石材料９を位置決め固定する。その樹脂材料５の充填に先立って、下型６および上型７に設けた電磁石１０，１３に通電する。この電磁石１０，１３による引き寄せ力にて磁石材料９をスロット部３のうちロータ軸心側に引き寄せ、磁石材料９の背面側（ロータコア２の外周面側）に積極的に樹脂材料５を充填する。
【選択図】図８

Description

本発明は、電動機におけるロータの製造方法、特にロータに永久磁石を内蔵した永久磁石埋込型同期モータ等におけるロータの製造方法に関する。

この種のロータの製造方法として、例えば特許文献１，２に記載されているように、電磁鋼板等の積層体からなるロータコアにその軸心方向に貫通するスロット部をロータコアの円周方向に沿って所定のピッチで複数個形成し、それらのスロット部に個々に永久磁石を挿入した上で、スロット部と永久磁石の隙間を埋めるべく、永久磁石が挿入されているスロット部に樹脂材料を充填して硬化させることにより、いわゆる樹脂モールドのかたちで各永久磁石を位置決め固定するようにしたものが知られている。

特開２００８−２１９９９２号公報 特開２００８−０５４３７６号公報

上記のようなロータの製造方法において、ロータが回転する際の磁気的および機械的平衡度を保ちつつ回転精度の安定化を図るために、永久磁石をスロット部のうちでもロータ軸心に近い内周壁面側またはそれとは反対の外周壁面側に積極的に寄せて、各永久磁石のロータ径方向での位置を揃えることが望ましい。特にロータ回転時の遠心力に伴って、永久磁石からスロット部外周壁面側へ入力する応力の集中を防ぐことに着目した場合、永久磁石をスロット部のうちでもロータ軸心に近い内周壁面側に寄せて、永久磁石の外周面とスロット部の外周壁面との間に積極的に樹脂材料を充填して充満させたいとの要請がある。

しかしながら、特許文献１，２に記載された技術では、スロット部とそれに挿入されることになる永久磁石との間には四周に所定の隙間が存在し、その隙間に対して樹脂材料を充填することになる。そのため、樹脂材料の充填圧を受けてスロット部内で永久磁石が微妙に動いてしまうことが懸念され、永久磁石の最終的な位置や姿勢が安定化せず、上記要請に応えることができないおそれがある。

また、仮に上記樹脂材料の充填圧の影響を無視することができたとしても、先に述べたようにスロット部とそれに挿入されることになる永久磁石との間には四周に所定の隙間が存在し、スロット部に永久磁石を挿入しただけではその永久磁石の位置や姿勢が安定せずにばらつくことがある。例えばスロット部に挿入した永久磁石が上記要請とは逆にスロット部の外周壁面側に片寄ったり、あるいはロータの径方向で傾いた姿勢となることがある。したがって、その状態のままでスロット部に樹脂材料を充填しても、永久磁石の外周面とスロット部の外周壁面との間に積極的に且つ均一に樹脂材料を充満させることができず、結果として上記要請に応えることができないことになる。

本発明はこのような課題に着目してなされたものであり、ロータコアのスロット部に磁石材料を挿入した上でそのスロット部に樹脂材料を充填するにあたり、スロット部内での磁石材料の位置や姿勢の安定化を図ることを目的としている。

本発明は、ロータコアの軸心方向に沿って形成されたスロット部に磁石材料を挿入した後に、そのスロット部に樹脂材料を充填して磁石材料を位置決め固定するにあたり、樹脂材料の充填に先立って、スロット部に挿入してある磁石材料に対して外部から磁力を及ぼすことで、そのスロット部内での磁石材料の位置決めを行うものである。

本発明によれば、スロット部に挿入されている磁石材料に対して外部から磁力を及ぼすことで、そのスロット部内の磁石材料を特定の方向に引き寄せて位置決めすることができる。そのため、磁石材料の位置や姿勢が安定化し、磁石材料の位置決め精度が向上する。

本発明方法によって製造されるロータコアの一例を示す説明図。 図１の要部の拡大図。 図１のＡ−Ａ線に沿う断面説明図。 図１に示したロータコアの製造手順を示す図で、下型上にロータコアを位置決めした状態を示す断面説明図。 図１のＢ部の拡大説明図。 図１のロータコアを下型と上型とで加圧拘束した状態を示す断面説明図。 図６の状態から樹脂材料のペレットを投入する際の断面説明図。 図７の状態から軟化溶融した樹脂材料を充填した状態を示す断面説明図。 （Ａ），（Ｂ）ともに樹脂材料充填時に本発明によって回避される不具合例を示すロータコアの断面説明図。

図１以下の図面は本発明を実施するためのより具体的な形態を示し、特に図１は例えば永久磁石埋込型同期モータのロータ（回転子）の構造を示し、また図２は図１の要部の平面図を、図３は図１のＡ−Ａ線に沿う断面図をそれぞれ示している。

図１に示すように、ロータ１は、薄板状の電磁鋼板、より具体的には珪素鋼板等の積層体からなる円筒状のロータコア２を主要素として構成されていて、そのロータコア２の円周方向の等分位置に磁石収納のための穴部として偏平矩形状の複数のスロット部３を形成してある。それぞれのスロット部３はロータコア２をその軸心方向に貫通してロータコア２の両端面に開口していて、各スロット部３には当該スロット部３の形状よりも一回り小さな板状またはバー状の永久磁石４を挿入してある。そして、図２，３に示すように、各永久磁石４はスロット部３と永久磁石４との隙間に充填される熱硬化性の樹脂材料５にていわゆる樹脂モールドのかたちで位置決め固定してある。

なお、ロータコア２の中心の軸穴２ａには図示外の回転軸が挿入固定される。また、ロータコア２の両端面に円板状のエンドプレート（端板）を積層配置することがあるほか、熱硬化性の樹脂材料５に代えて熱硬化性の接着剤を用いることもある。

ここで、ロータ１が回転する際の磁気的および機械的平衡度を保ちつつ回転精度の安定化を図り、且つ特にロータ回転時の遠心力に伴う永久磁石４への応力集中を防ぐことに着目した場合、永久磁石４をスロット部３のうちでもロータ軸心に近い内側壁面に密着するように寄せて、永久磁石４の外側壁面とスロット部３の外側壁面との間に積極的に樹脂材料５を充填して充満させたいとの要請があることは先に述べた。本実施の形態においても、この要請に応えるために、図２，３に示すように、永久磁石４をスロット部３のうちでもロータ軸心に近い内側壁面に密着するように寄せて、永久磁石４のうち反ロータ軸心側の外側壁面とスロット部３の外側壁面（ロータコア２の円筒外周面側の壁面）との間に積極的に樹脂材料５を充填して充満させてある。同時に、スロット部３のうちロータコア２の円周方向両端の壁面とそれに正対する永久磁石４側の壁面との間にも樹脂材料５を充填して充満させてある。

この場合において、図２，３に示すように、永久磁石４のうち反ロータ軸心側の外側壁面とスロット部３の外側壁面（ロータコア２の円筒外周面側の壁面）との間に確実に樹脂材料５を充填されているならば、永久磁石４のうちロータ軸心側の内側壁面とスロット部３の内側壁面（ロータ軸心側の壁面）との間に樹脂材料が同時に充填されることは許容される。なお、図３に示すように、ロータコア２の一方の端面（図３では下面）と各永久磁石４の一方の端面とが面一状態となっているのに対して、ロータコア２の他方の端面（図３では上面）に対しては各永久磁石４の他方の端面が一段低くなっていて、各永久磁石４の他方の端面を樹脂材料５にて被覆してある。

上記のようなロータコア２の製造方法には、概略的には、（１）磁石挿入、（２）予備加熱、（３）型締め、（４）樹脂タブレットセット、（５）注型（樹脂材料の注入または充填）、（６）キュア（硬化）、（７）型開き・製品取り出し、の各工程が含まれていて、これらの工程を経ることで図１のようなロータコア２が製造されることになる。

磁石挿入とは、永久磁石４となるべき未着磁の磁石材料をロータコア２の各スロット部３に挿入する作業である。したがって、永久磁石４としての着磁は後工程にて行われる。

予備加熱とは、各スロット部３に磁石材料が挿入されたロータコア２を例えば１７０℃程度まで加熱するものである。

型締めとは、磁石材料が挿入された状態で予備加熱されたロータコア２を、その両端面側から所定の金型にて加圧拘束する作業である。なお、ロータコア２が予備加熱されているのに併せて、そのロータコア２を加圧拘束するための金型は例えば１８０℃程度に加熱されている。

樹脂タブレットセットとは、金型の一部に形成されたポット部に熱硬化性の樹脂材料のタブレットを挿入する作業である。

注型とは、金型のポット部に挿入した樹脂材料のタブレットを軟化・溶融させて、各スロット部３に注入または充填する作業である。

キュアとは、各スロット部３に注入または充填された樹脂材料を所定の保圧下で硬化させ、もって予め各スロット部３に挿入されている磁石材料を位置決め固定する作業である。

型開き・製品取り出しとは、その名のとおり金型による加圧拘束状態からロータコア２を解放して、各スロット部３に磁石材料が位置決め固定されたロータコア２を取り出す作業である。

ここで、上記のような一連の製造工程は実質的にトランスファー成形法と同等の手法と理解することができ、その詳細を図４以下に示す。

図４に示すように、下型６と上型７との組み合わせからなる金型８を用意し、各スロット部３に予め磁石材料９が挿入されているロータコア２の一方の端面を接触面として、下型６の上に載せて位置決めする。下型６のうちロータコア２側のそれぞれのスロット部３に相当する位置には、一つのスロット部３に対して一つまたは複数の電磁石１０が埋設配置されている。詳しくは、図５に示すように、磁性体で形成された鉄心１０ａと、該鉄心１０ａ外周に巻きまわされたコイル１０ｂとからなり、コイル１０ｂに電流を流す（通電）ことで磁力を発生する電磁石１０が下型６のうちそれぞれのスロット部３に相当する位置に埋設されていて、その鉄心１０ａの端面のみが下型６の上面との面一状態をもってロータコア２側に臨んでいる。これにより、電磁石１０の鉄心１０ａのみがロータコア２の一部と磁石材料９の双方に密着するようになっている。ただし、図５から明らかなように、電磁石１０はその鉄心１０ａが反磁石材料９側に片寄るかたちで配置してある。

他方、図４に示す上型７については、互いに重ね合わせた二枚の型板７ａ，７ｂとから構成されていて、ポット部１１とそれと連通する微細なゲート部１２を形成してあるとともに、上型７のうちロータコア２側のそれぞれのスロット部３に相当する位置には、図５のものを天地反転させた状態で同様に電磁石１３を埋設配置してある。

この場合、下型６側の電磁石１０と上型７側の電磁石１３とは共に同じ能力のものでも良いが、下型６側の電磁石１０の能力（発生磁力）を上型７側の電磁石１３の能力（発生磁力）よりも大きくすることが望ましい。なお、下型６側の電磁石１０及び上型７側の電磁石１３の発生磁力は、例えば電磁石１０，１３のコイルに通電する電流を制御、あるいはコイルの巻き数を変更する等によって変更することが可能である。

したがって、図４に示すように、下型６上にロータコア２が位置決めされた段階で下型６側のそれぞれの電磁石１０に通電（ＯＮ作動）する。各電磁石１０に通電すると、各磁石材料９の下端部がスロット部３のうちロータコア２の軸心寄りの内側壁面に密着するように電磁石１０の磁力による引き寄せ力Ｆ１にて引き寄せられる。同時に、電磁石１０の磁力による引き寄せ力Ｆ２にて磁石材料９が下型６側に密着することになる。これにより、ロータコア２のスロット部３に挿入されている各磁石材料９の下部について、ロータコア２の径方向での位置決めと図４の上下方向（ロータコアの軸心方向）での位置決めがなされたことになる。

こうして、各磁石材料９の下部について、ロータコア２の径方向での位置決めと図４の上下方向での位置決めがなされたならば、下型６側の各電磁石１０の通電状態を維持したままで、図６に示すように上型７を下降させてその上型７をロータコア２の他方の端面に密着させ、下型６と上型７とをもって所定の圧力でロータコア２を軸心方向に加圧拘束する。

さらに、この加圧拘束状態のもとで、図６に示すように上型７側のそれぞれの電磁石１３に通電（ＯＮ作動）する。上型７側の各電磁石１３に通電すると、各磁石材料９の上端部がスロット部３のうちロータ軸心寄りの内側壁面に密着するように電磁石１３の磁力による引き寄せ力Ｆ３にて引き寄せられる。この場合、電磁石１３の磁力による引き寄せ力Ｆ４にて磁石材料９が上方に引き寄せられようとするが、電磁石１３の鉄心は磁石材料９には密着しておらず、しかも先に述べたように上型７側の電磁石１３の能力（発生磁力）は下型６側の電磁石１０の能力（発生磁力）よりも小さいので、電磁石１３の磁力による引き寄せ力Ｆ４にて磁石材料９が変位することはない。これにより、ロータコア２のスロット部３に挿入されている各磁石材料９の上部についても、ロータコア２の径方向での位置決めがなされたことになる。

なお、本実施の形態では、ロータコア２の径方向における磁石材料９の位置や姿勢精度の向上を主たる目的としているので、各電磁石１０，１３による上下方向の引き寄せ力Ｆ２，Ｆ４は必ずしも必須ではない。ただし、各電磁石１０，１３による上下方向の引き寄せ力Ｆ２，Ｆ４をも併用すれば、磁石材料９の上下方向（ロータコア２の軸心方向）の位置決め精度も併せて良好なものとなる。

その結果、図６に示すように、ロータコア２の各スロット部３に挿入されている磁石材料９のうち少なくとも反ロータ軸心側の外側壁面とスロット部３の外側壁面（ロータコア２の円筒外周面側の壁面）との間には所定の隙間Ｇが確保される。また、図６から明らかなように、下型６と上型７とでロータコア２を加圧拘束した状態では、各磁石材料９の反ロータ軸心側の外側壁面とスロット部３の外側壁面との間に確保される隙間Ｇと上型７側のゲート部１２が位置的に合致することになる。

続いて、図７に示すように、下型６側および上型７側のそれぞれの電磁石１０，１３の通電状態を維持したままで、上型７側のポット部１１に熱硬化性の樹脂材料のペレットＰを挿入した上で、ポット部１１にプランジャ１４を圧入する。この場合において、ロータコア２が予め１７０℃程度に予備加熱されていて、しかも下型６と上型７との組み合わせからなる金型８が１８０℃程度に加熱されていることは先に述べたとおりである。したがって、図８に示すように、ポット部Ｐに挿入された熱硬化性の樹脂材料のペレットＰは直ちに軟化溶融（可塑化）して溶融状態の樹脂材料５と化し、そのままプランジャ１４の押し込み圧力にて各スロット部３に注入または充填される。

より詳しくは、ロータコア２の各スロット部３に挿入されている磁石材料９は、スロット部３のうちロータ軸心寄りの内側壁面に密着するように予め電磁石１０，１３にて位置決めされていることから、樹脂材料５の注入または充填圧を受けてスロット部３内で磁石材料９が変位してしまうことがない。したがって、磁石材料９のうち反ロータ軸心寄りの外側壁面とスロット部３のうち反ロータ軸心寄りの外側壁面との間にできた隙間Ｇに樹脂材料５が積極的に注入または充填される。さらに、樹脂材料５は、図２，３に示すように、磁石材料９のうちロータコア２の円周方向両端の壁面とそれと正対するスロット部３側の壁面との間の隙間に注入または充填されるとともに、最終的には磁石材料９の上面側にもこれを被覆するように注入または充填される。この状態で所定のキュア時間をもって樹脂材料５の硬化を待てば、磁石材料９がスロット部３内の所定位置にいわゆる樹脂モールドのかたちで堅固に位置決め固定されることになる。

すなわち、樹脂材料５の注入または充填に先立って、それぞれの磁石材料９を電磁石１０，１３にて予めロータコア２の軸心寄りの位置に位置決めしてあることにより、例えば図９の（Ａ）に示すように、磁石材料９よりもロータ軸心側に樹脂材料５が優先的に注入または充填されてしまったり、あるいは同図（Ｂ）に示すように、磁石材料９が傾いたり倒れ姿勢のままでその磁石材料９よりもロータ軸心側に樹脂材料が優先的に注入または充填されてしまうような事態の発生を未然に防止することができる。

なお、先にも述べたように、磁石材料９のうち反ロータ軸心寄りの外側壁面とスロット部３のうち反ロータ軸心寄りの外側壁面との間にできた隙間Ｇに樹脂材料５が優先的に注入または充填されるならば、磁石材料９のうちロータ軸心寄りの内側壁面とスロット部３のうちロータ軸心寄りの内側壁面との間にも同時に樹脂材料５が注入または充填されることは許容される。

この後、図８の状態からそれぞれの電磁石１０，１３への通電を断った上で、下型６と上型７とを型開きしてロータコア２を取り出し、後工程にて公知の方法により各磁石材料９に着磁処理を施して永久磁石４とすれば、図１に示したようなロータコア２が製造されたことになる。

このように本実施の形態によれば、スロット部３に挿入されている磁石材料９に対して外部から電磁石１０，１３による磁力を及ぼすことで、そのスロット部３内の磁石材料９を特定の方向、すなわちロータコア２の軸心側に引き寄せて位置決めすることができるため、磁石材料９の位置や姿勢が安定化し、磁石材料９の位置決め精度が向上する。

また、下型６側の電磁石１０の通電開始時期と上型側の電磁石１３の通電開始時期を異ならせているため、双方の電磁石１０，１３による引き寄せ力が同時に拮抗してしまうことがなく、各磁石材料９の位置決め精度が一段と向上することになり、かかる効果は、一方の電磁石１０または１３の能力を他方の電磁石１３または１０の能力（発生磁力）よりも大きくすることでより一層顕著となる。

さらに、電磁石１０，１３を用いていることにより、必要な時期にだけ磁力を発生させることができるため、例えばハンドリングロボット等による自動化・省力化機器にてスロット部３に対する磁石材料９の自動挿入作業を行う場合に、磁力による磁石材料９のハンドリングへの悪影響を回避することができる。

その上、下型６側および上型７側の電磁石１０，１３はその鉄心１０ａのみをロータコア２のスロット部３側に臨ませてあるので、電磁石１０，１３のコイル１０ｂまでもが樹脂材料５にて覆われてしまうトラブルを未然に防止することができる。また、電磁石１０，１３はその鉄心１０ａのみをロータコア２のスロット部３側に臨ませてあるので、鉄心１０ａに付着した樹脂はコイルから鉄心１０ａのみを取り外して除去することができ、メンテナンスが容易となる。

ここで、例えば図９の（Ａ）に示したように、スロット部３内の磁石材料９を積極的にロータコア２の円筒外周面寄りに引き寄せる一方で、その磁石材料９のロータコア２の軸心側に積極的に樹脂材料５を注入または充填させたいとの要請がある場合には、下型６側および上型７側の電磁石１０，１３の配置を変更することで、本発明を適用してロータを製造することが可能である。

さらに、図９の（Ａ）の状態を天地反転させた形状のロータコア２を製造する必要がある場合には、図８において下型６側の電磁石１０と上型７側の電磁石１３の能力（発生磁力）の大小関係を逆にして、磁石材料９の上面をロータコア２の上面である一方の端面と面一状態とすることで容易に対応することができる。

１…ロータ
２…ロータコア
３…スロット部
４…永久磁石
５…樹脂材料
６…下型
７…上型
８…金型
９…磁石材料
１０…永久磁石
１０ａ…鉄心
１０ｂ…コイル
１３…永久磁石

Claims (12)

1. ロータコアの軸心方向に沿って形成されたスロット部に磁石材料を挿入した後に、そのスロット部に樹脂材料を充填して磁石材料を位置決め固定するようにした電動機におけるロータの製造方法において、
   上記樹脂材料の充填に先立って、スロット部に挿入してある磁石材料に対してスロット部の外部から磁力を及ぼすことで、そのスロット部内での磁石材料の位置決めを行うことを特徴とするロータの製造方法。
2. スロット部の外部から磁力を及ぼすことによるスロット部内での磁石材料の位置決めとしてロータコアの径方向での位置決めを行うことを特徴とする請求項１に記載のロータの製造方法。
3. スロット部の外部から磁力を及ぼすことによるスロット部内での磁石材料の位置決めとして、ロータコアの径方向での位置決めとともにロータコアの軸心方向での位置決めを行うことを特徴とする請求項２に記載のロータの製造方法。
4. 上記スロット部に挿入してある磁石材料に対して外部から磁力を及ぼす手段が電磁石であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載のロータの製造方法。
5. 上記スロット部に挿入してある磁石材料が、永久磁石として着磁される前の未着磁状態のものであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載のロータの製造方法。
6. ロータコアの軸心方向に沿って形成されたスロット部に磁石材料を挿入するとともに、そのロータコアを当該ロータコアの両端面に当接させた型にて加圧拘束した状態で、上記スロット部に樹脂材料を充填して磁石材料を位置決め固定するようにした電動機におけるロータの製造方法において、
   上記型に鉄心部とコイルとを備えた電磁石を設け、上記型のうちロータコアの端面に当接する部分に、電磁石の鉄心部のみを予め臨ませておき、
   上記樹脂材料の充填に先立って上記電磁石のコイルに通電することにより、スロット部に挿入してある磁石材料に対して電磁石の磁力を及ぼすことで、そのスロット部内での磁石材料の位置決めを行うことを特徴とするロータの製造方法。
7. 上記型のうちロータコアの双方の端面に当接する部分に、電磁石の鉄心部をそれぞれに予め臨ませてあることを特徴とする請求項６に記載のロータの製造方法。
8. いずれか一方の型側の電磁石のコイルへの通電を他方型側の電磁石のコイルへの通電に先行して行うことを特徴とする請求項７に記載のロータの製造方法。
9. 先行して通電される電磁石の発生磁力が、遅れて通電される電磁石の発生磁力よりも大きいことを特徴とする請求項８に記載のロータの製造方法。
10. 上記スロット部内での電磁石による磁石材料の位置決めとして、ロータコアの径方向での位置決めを行うことを特徴とする請求項６〜９のいずれか一つに記載のロータの製造方法。
11. 上記スロット部内での電磁石による磁石材料の位置決めとして、ロータコアの径方向での位置決めとともにロータコアの軸心方向での位置決めを行うことを特徴とする請求項１０に記載のロータの製造方法。
12. 上記スロット部に挿入してある磁石材料が、永久磁石として着磁される前の未着磁状態のものであることを特徴とする請求項６〜１１のいずれか一つに記載のロータの製造方法。

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