JP2014220911A - 回転子積層鉄心および回転子積層鉄心の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】永久磁石を固定するための樹脂に生じた応力の偏倚によるモータトルクの低下、固定樹脂のクラック、さらにはモーター破壊等を未然に防止することの可能な、回転子積層鉄心および回転子積層鉄心の製造方法を提供する。【解決手段】回転子積層鉄心１は、永久磁石３の少なくとも一方の端面３ｅを、積層鉄心本体２の軸方向端面２ｌ，２ｕより内側に位置させ、かつ磁石収容孔２Ｏの開口２ｏに臨んで露出させるとともに、上記開口の全域を開放させて成る。また、製造方法は、磁石収容孔に治具の支持凸部を嵌入して、治具に積層鉄心本体を載置し、支持凸部により磁石収容孔の内部に永久磁石を支持した状態で樹脂を磁石収容孔に充填する工程を含む。【選択図】図３

Description

本発明は、電動機の回転子を構成する回転子積層鉄心および其の製造方法に関し、詳しくは、積層鉄心本体の軸方向に貫通形成した磁石収容孔に永久磁石を挿入し、硬化させた樹脂により前記永久磁石を上記積層鉄心本体に固定して成る回転子積層鉄心、および其の製造方法に関するものである。

電動機の一態様として、永久磁石を取付けた回転子積層鉄心を構成要素とするＩＰＭモータ（埋込構造永久磁石同期電動機）が知られており、例えばハイブリッドカー用の駆動源として上記ＩＰＭモータが多く採用されている。

図７および図８に示す如く、上記ＩＰＭモータの構成要素である回転子積層鉄心Ａは、積層した複数の鉄心片Ｂａ，Ｂａ…をカシメ等により固着一体化した積層鉄心本体Ｂを備えている。

この積層鉄心本体Ｂには、所定数の磁石収容孔Ｂｏ，Ｂｏ…が、軸方向(鉄心片Ｂａ，Ｂａ…の積層方向)に貫通形成されており、夫々の磁石収容孔Ｂｏ，Ｂｏ…には、延板状の永久磁石Ｍ，Ｍ…が挿入され、これら永久磁石Ｍ，Ｍ…は樹脂Ｒにより積層鉄心本体Ｂに固定されている。

ここで、上述した構成の回転子積層鉄心Ａにおいて、樹脂Ｒにより永久磁石Ｍを固定する方法には、先ず積層鉄心本体Ｂを加熱(予熱)したのち、磁石収容孔Ｂｏに永久磁石Ｍを挿入し、次いで溶融した樹脂Ｒを磁石収容孔Ｂｏに充填することにより、永久磁石Ｍの全体を樹脂封止する方法が提供されている(例えば、特許文献１、特許文献２参照)。

特許第３７８６９４６号公報 特許第４１３７９６２号公報

ところで、永久磁石Ｍを固定するための樹脂Ｒとしては、熱硬化性樹脂が多く採用されており、この場合、上述の如く加熱された積層鉄心本体Ｂの磁石収容孔Ｂｏに、高温の溶融した樹脂Ｒを充填したのち、回転子積層鉄心Ａを常温に冷却する工程を経る。

このとき、回転子積層鉄心Ａの冷却に伴って、樹脂Ｒは積層鉄心本体Ｂの軸方向に収縮する一方、樹脂封止された永久磁石Ｍは積層鉄心本体Ｂの軸方向に膨張することとなる。

すなわち、図９に示した延板状の永久磁石Ｍにおいて、磁化方向軸(磁化容易軸)ｍでは熱膨張係数が＋(正)であるのに対し、磁化方向軸ｍと直交する非磁化方向軸ｖ，ｈでは熱膨張係数が−(負)であるため、上記永久磁石Ｍは冷却されることによって軸方向に膨張することとなる。

このため、回転子積層鉄心Ａの冷却に伴い、図１０中の矢印Ｓａで示す如く、樹脂Ｒには収縮方向の応力が生じ、図１０中の矢印Ｓｂで示す如く、永久磁石Ｍには膨張方向の応力が生じ、これらの応力は互いに押し合う方向に作用することとなる。

一方、図８に示す如く、積層鉄心本体Ｂにおける磁石収容孔Ｂｏの断面形状は、永久磁石Ｍの全体を樹脂封止するために、上記永久磁石Ｍの断面形状よりも一回り大きく設定されており、また、回転子積層鉄心Ａにおける磁気特性の向上を目的として、特に永久磁石Ｍの長手方向における磁石収容孔Ｂｏとのギャップ部ｇが大きく設定されている。

ここで、上記ギャップ部ｇにおいては、軸方向に沿って樹脂Ｒのみが充填されているため、回転子積層鉄心Ａを冷却する際、上述の如く樹脂Ｒと永久磁石Ｍとの間には互いに押し合う方向の応力が生じるのに対し、図１０中の矢印Ｓｃで示す如く、ギャップ部ｇには樹脂Ｒを大きく収縮させようとする応力のみが生じることとなる。

このように、磁石収容孔Ｂｏにおける上下の開口に臨む樹脂Ｒの端面に、上述した如き応力の偏倚が生じると、永久磁石Ｍの臨む樹脂Ｒの表面が膨出する反面、ギャップ部ｇにおける樹脂Ｒの表面が陥没して、上記樹脂Ｒの表面に「うねり」が形成され、上記「うねり」の発生状況が複数の磁石収容孔Ｂｏ，Ｂｏ…毎に相違することで、回転子積層鉄心Ａにおける回転モーメントのアンバランスを生じ、モータトルクの低下を招来する不都合があった。

また、上述した如くギャップ部ｇに樹脂Ｒの収縮に起因する大きな応力が生じることにより、隣り合う磁石収容孔Ｂｏ，Ｂｏの端部同士が近接した部位(ブリッジ部)Ｂｂや、磁石収容孔Ｂｏ，Ｂｏの端部が積層鉄心本体Ｂの外周縁と接近した部位Ｂｎ，Ｂｎでは、最悪の場合、応力の集中によってモータ破壊を引き起こす虞れがあった。

また、上述した如くギャップ部ｇにおいては樹脂Ｒが大きく収縮するため、該樹脂Ｒを磁石収容孔Ｂｏの内側へ引き込む力が作用し、これにより永久磁石Ｍの端面と樹脂Ｒとの界面にクラックを生じたり、さらには上記樹脂Ｒと積層鉄心本体Ｂとの剥離を生じることで、積層鉄心本体Ｂと永久磁石Ｍとの固着強度が著しく低下することとなり、最悪の状況においてはモータ破壊を引き起こす虞れがあった。

本発明の目的は、上記実状に鑑みて、樹脂に生じた応力の偏倚に起因するモータトルクの低下、樹脂のクラック、さらにはモータ破壊等を未然に防止することの可能な、回転子積層鉄心および回転子積層鉄心の製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するべく、請求項１の発明に係る回転子積層鉄心は、積層鉄心本体の軸方向に貫通形成した磁石収容孔に永久磁石を挿入し、硬化させた樹脂により永久磁石を積層鉄心本体に固定して成る回転子積層鉄心において、永久磁石における少なくとも一方の端面を、積層鉄心本体の軸方向端面より内側に位置させ、かつ磁石収容孔の開口に臨んで露出させるとともに、上記開口の全域を開放させることを特徴としている。

請求項２の発明に係る回転子積層鉄心は、請求項１の発明に係る回転子積層鉄心において、永久磁石における少なくとも一方の端面を、積層鉄心本体の軸方向端面より内側に位置させ、かつ磁石収容孔の開口に臨んで完全に露出させることを特徴としている。

請求項３の発明に係る回転子積層鉄心の製造方法は、積層鉄心本体の軸方向に貫通形成した磁石収容孔に永久磁石を挿入し、硬化させた樹脂により永久磁石を積層鉄心本体に固定して成る回転子積層鉄心の製造方法において、磁石収容孔に治具の支持凸部を嵌入して上記治具に積層鉄心本体を載置し、支持凸部により磁石収容孔の内部に永久磁石を支持した状態で樹脂を磁石収容孔に充填する工程を含むことを特徴としている。

請求項４の発明に係る回転子積層鉄心の製造方法は、請求項３の発明に係る回転子積層鉄心の製造方法において、支持凸部における永久磁石の端面と当接する支持面が、永久磁石の端面の形状と相似であるとともに永久磁石の端面以上の面積を有することを特徴としている。

請求項５の発明に係る回転子積層鉄心の製造方法は、請求項３の発明に係る回転子積層鉄心の製造方法において、支持凸部における底部領域の形状が、磁石収容孔における開口の形状と合致することを特徴としている。

請求項６の発明に係る回転子積層鉄心の製造方法は、請求項３の発明に係る回転子積層鉄心の製造方法において、治具が搬送トレイであることを特徴としている。

請求項１の発明に係る回転子積層鉄心によれば、永久磁石における少なくとも一方の端面を、磁石収容孔の開口に臨んで露出させたことにより、永久磁石における積層鉄心本体の軸方向に膨張しようとする応力を、上記永久磁石における露出している端面に逃がすことによって、永久磁石を固定するための樹脂に応力の偏倚が生じることが抑えられ、もってモータトルクの低下、樹脂のクラック、さらにはモータ破壊等を未然に防止することが可能となる。

請求項２の発明に係る回転子積層鉄心によれば、永久磁石における少なくとも一方の端面を、磁石収容孔の開口に臨んで完全に露出させたことにより、永久磁石における積層鉄心本体の軸方向に膨張しようとする応力を、上記永久磁石の完全に露出した端面に逃がすことによって、永久磁石を固定するための樹脂に応力の偏倚が生じることが抑えられ、もってモータトルクの低下、樹脂のクラック、さらにはモータ破壊等を極めて有効に防止することが可能となる。

請求項３の発明に係る回転子積層鉄心の製造方法によれば、磁石収容孔に治具の支持凸部を嵌入して上記治具に積層鉄心本体を載置し、支持凸部により磁石収容孔の内部に永久磁石を支持した状態で樹脂を磁石収容孔に充填する工程を含むことで、永久磁石における少なくとも一方の端面を、磁石収容孔の開口に臨んで完全に露出させたことにより、モータトルクの低下、樹脂のクラック、さらにはモータ破壊等を未然に防止し得る回転子積層鉄心を容易に製造することが可能となる。

請求項４の発明に係る回転子積層鉄心の製造方法によれば、支持凸部において永久磁石の端面と当接する支持面を、永久磁石の端面の形状と相似、かつ永久磁石の端面以上の面積を有する形状としたことで、支持凸部により永久磁石を支持する際、上記支持凸部の支持面に対する永久磁石の位置決めを容易に行うことが可能となる。

請求項５の発明に係る回転子積層鉄心の製造方法によれば、支持凸部における底部領域の形状を、磁石収容孔における開口の形状と合致させたことで、治具に対する積層鉄心本体の位置決めが確実に行われるとともに、磁石収容孔における開口の全域を解放させることが可能となる。

請求項６の発明に係る回転子積層鉄心の製造方法によれば、治具が搬送トレイであることにより、積層鉄心本体を金型装置にセットする前に、永久磁石を予め磁石収容孔に挿入しておくことができ、もって優れた作業性を得ることが可能となる。

(ａ)は本発明に係る回転子積層鉄心を示す全体外観平面図、(ｂ)は本発明に係る回転子積層鉄心を示す全体外観側面図。 本発明に係る回転子積層鉄心を示す要部断面平面図。 (ａ)は図１(ａ)中のａ−ａ線断面図、(ｂ)は図１(ａ)中のｂ−ｂ線断面図。 本発明に係る回転子積層鉄心の製造方法における、金型装置に積層鉄心本体と永久磁石とをセットした状態を、永久磁石の展延方向に破断して示す要部断面側面図。 本発明に係る回転子積層鉄心の製造方法における、金型装置に積層鉄心本体と永久磁石とをセットした状態を、永久磁石の厚さ方向に破断して示す要部断面側面図。 本発明に係る回転子積層鉄心の製造方法における、支持突起を備えた金型装置の下型を示す要部外観斜視図。 (ａ)は従来の回転子積層鉄心を示す全体外観平面図、(ｂ)は従来の回転子積層鉄心を示す全体外観側面図。 (ａ)は従来の回転子積層鉄心を示す要部断面平面図、(ｂ)は図７(ａ)中のVIII−VIII線断面図。 回転子積層鉄心を構成する永久磁石を、磁化方向軸ｍおよび非磁化方向軸ｖ，ｈと併せて示した全体外観斜視図。 従来の回転子積層鉄心の製造方法において、製造時に作用する各部の応力状態を示した回転子積層鉄心の要部断面側面図。

以下、本発明に係る回転子積層鉄心および其の製造方法について、実施例を示す図面を参照しつつ詳細に説明する。
なお、本実施例においては、ＩＰＭモータ（埋込構造永久磁石同期電動機）を構成する回転子積層鉄心に本発明を適用した例を示している。

図１〜図３に示す如く、ＩＰＭモータの構成要素である回転子積層鉄心１は、積層した複数の鉄心片２Ａ，２Ａ…をカシメ等により固着一体化した積層鉄心本体２を具備している。

この積層鉄心本体２には、所定数の磁石収容孔２Ｏ，２Ｏ…が、軸方向(鉄心片２Ａ，２Ａ…の積層方向)に貫通形成されており、夫々の磁石収容孔２Ｏ，２Ｏ…には、延板状の永久磁石３，３…が挿入され、これら永久磁石３，３…は、樹脂４を用いて積層鉄心本体２に固定されている。

図３に示す如く、磁石収容孔２Ｏの内部に固定された永久磁石３は、上下の端面３ｅ，３ｅが、積層鉄心本体２の上面(軸方向端面)２ｕと下面(軸方向端面)２ｌより内方に位置しており、さらに永久磁石３における下方の端面３ｅは、樹脂４に形成された開口部４ｏを介して、磁石収容孔２Ｏにおける下方の開口２ｏに臨んでいる。

上記樹脂４の開口部４ｏは、磁石収容孔２Ｏにおける下方の開口２ｏの周縁から立ち上がり、磁石収容孔２Ｏの内方に傾斜するテーパ形状を呈しており、上記開口部４ｏの上方においては、永久磁石３の端面３ｅが磁石収容孔２Ｏの開口２ｏに臨んで完全に露出しているとともに、上記磁石収容孔２Ｏの開口２ｏは全域に亘って開放されている。

なお、上述した実施例における回転子積層鉄心１の構成は、永久磁石３における下方の端面３ｅが、磁石収容孔２Ｏの開口２ｏに臨んで完全に露出している以外、図７および図８に示した従来の回転子積層鉄心Ａと基本的に変わるところはない。

さらに、上述した回転子積層鉄心１においては、後述する金型装置１０(図４，図５参照)に積層鉄心本体２をセットしたのち、積層鉄心本体２の磁石収容孔２Ｏに永久磁石３を挿入し、次いで積層鉄心本体２を加熱し、溶融した樹脂４を磁石収容孔２Ｏに注入して永久磁石３を樹脂封止したのち、回転子積層鉄心Ａを常温に冷却することによって、樹脂４により永久磁石３を積層鉄心本体２に固定する方法が採用されている。

上述した如き構成の回転子積層鉄心１によれば、永久磁石３おける一方の端面３ｅを、磁石収容孔２Ｏの開口２ｏに臨んで完全に露出させたことにより、永久磁石３における積層鉄心本体２の軸方向に膨張しようとする応力を、上記永久磁石３における露出している端面３ｅに逃がすことによって、永久磁石３を固定するための樹脂４に応力の偏倚が生じることが抑えられ、もって従来技術の項において詳述した様々な不都合、すなわちモータトルクの低下、樹脂のクラック、さらにはモータ破壊等の問題を、未然に防止することが可能となる。

図４および図５は、上述した回転子積層鉄心１の製造方法における１つの工程を示しており、金型装置１０を構成する治具としての上型１１および下型１２の間には、積層鉄心本体２が所定位置にセットされている。

上型１１は、積層鉄心本体２の上面２ｕと圧接しており、積層鉄心本体２の磁石収容孔２Ｏに溶融した樹脂を注入するためのポット１１ｓを備えている。

下型１２は、積層鉄心本体２の下面２ｌと当接するベース部１２Ａと、該ベース部１２Ａに突設されて積層鉄心本体２の磁石収容孔２Ｏに嵌入する支持凸部１２Ｂとを備えている。

回転子積層鉄心１を製造するには、先ず、積層鉄心本体２の磁石収容孔２Ｏに支持凸部１２Ｂを嵌入するとともに、積層鉄心本体２の下面２ｌをベース部１２Ａに当接させることで、上記積層鉄心本体２を下型１２に載置する。

次いで、積層鉄心本体２の磁石収容孔２Ｏに永久磁石３を挿入し、支持凸部１２Ｂの支持面１２ｓに載置することにより、上記永久磁石３を磁石収容孔２Ｏの内部における所定位置に支持(セット)する。

こののち、積層鉄心本体２の上面２ｕに上型１１を圧接させ、溶融した樹脂をポット１１ｓから積層鉄心本体２の磁石収容孔２Ｏに充填して永久磁石３を樹脂封止する。

ここで、下型１２における支持凸部１２Ｂの支持面１２ｓは、永久磁石３における端面３ｅと相似の矩形状を呈しているとともに、その面積は上記端面３ｅ以上に設定されているため、完成した回転子積層鉄心１における永久磁石３の端面３ｅは、全面が完全に露出することとなり、もって永久磁石３が積層鉄心本体２の軸方向に膨張しようとする応力を有効に逃がすことができ、永久磁石３を固定している樹脂に応力の偏倚が生じることを抑えられる。

なお、下型１２はこれに換えて、特許第５０２３１２４号に記載された搬送トレイに支持凸部を設けて用いても良く、この場合、積層鉄心本体を金型装置にセットする前に予め磁石収容孔に永久磁石を挿入しておくことができるので作業性に優れたものとなる。

また、支持凸部１２Ｂにおける支持面１２ｓの面積が、永久磁石３の端面３ｅよりも大きく設定されていることで、上記支持面１２ｓに対する永久磁石３の多少のずれは許容されるため、支持凸部１２Ｂによって永久磁石３を支持する際、位置決め(セッティング)を容易に行うことができる。

なお、支持凸部１２Ｂにおける支持面１２ｓの形状を、永久磁石３における端面３ｅの形状と合致させることも可能であり、さらに磁石収容孔２Ｏに充填される樹脂の量が従来技術よりも減ることで、樹脂に生じる応力の偏倚を緩和する効果が認められることから、支持凸部１２Ｂにおける支持面１２ｓの形状を、永久磁石３の端面３ｅよりも若干小さく設定することも可能である。

また、図６に示す支持凸部１２Ｂにおける底部領域１２ｂの形状は、積層鉄心本体２における磁石収容孔２Ｏの開口２ｏと合致しており、このため支持凸部１２Ｂが磁石収容孔２Ｏに嵌入した際、下型１２に対する積層鉄心本体２の位置決めが確実に行われることとなり、さらに磁石収容孔２Ｏに充填された樹脂が開口２ｏに達しないので、上記開口２ｏが全域に亘って解放されることとなる。

また、上記支持凸部１２Ｂは、図６に示す如く底部領域１２ｂから支持面１２ｓに向けて先細りのテーパ形状を呈しているため、四方のテーパ面が有効な抜き勾配として作用することで、下型１２から回転子積層鉄心１を容易に取り外すことが可能となる。

また、上述した如く支持凸部１２Ｂによって永久磁石３を支持したことで、回転子積層鉄心１における永久磁石３の端面３ｅは、積層鉄心本体２の下面２ｌよりも内側に位置しているが、支持凸部１２Ｂの磁石収容孔２Ｏへの入り代、言い換えれば支持凸部１２Ｂの高さ寸法は、0.1〜0.5ｍｍ程度であることが望ましく、0.1ｍｍ以上であれば、永久磁石３が膨張した際に積層鉄心本体２の下面２ｌから飛び出ることを防止でき、0.5ｍｍ以内であれば、樹脂面の凹みによる回転子積層鉄心１の品質低下を最低限に抑えることが可能となる。但し、最適な支持凸部１２Ｂの高さ寸法は、回転子積層鉄心１の設計仕様によって全く相違し、もって上述した数値に限定されるものでないことは勿論である。

なお、上述した実施例の回転子積層鉄心１では、永久磁石３における一方(下方)の端面３ｅのみを露出させる構成としたが、永久磁石３における上下両方の端面３ｅ，３ｅを露出させても良く、このような構成を採用する場合には、下型１２の支持凸部１２Ｂと同様の凸部を、金型装置１０の上型１１にも設ければ良いことは言うまでもない。

１…回転子積層鉄心、
２…積層鉄心本体、
２Ａ…鉄心片、
２Ｏ…磁石収容孔、
２ｏ…開口、
２ｕ…上面(軸方向端面)、
２ｌ…下面(軸方向端面)、
３…永久磁石、
３ｅ…端面、
４…樹脂、
４ｏ…開口部、
１０…金型装置、
１１…上型(治具)、
１２…下型(治具)、
１２Ａ…ベース部、
１２Ｂ…支持凸部、
１２ｓ…支持面、
１２ｂ…底部領域。

Claims (6)

1. 積層鉄心本体の軸方向に貫通形成した磁石収容孔に永久磁石を挿入し、硬化させた樹脂により前記永久磁石を前記積層鉄心本体に固定して成る回転子積層鉄心において、
   前記永久磁石における少なくとも一方の端面を、前記積層鉄心本体の軸方向端面より内側に位置させ、かつ前記磁石収容孔の開口に臨んで露出させるとともに、前記開口の全域を開放させて成ることを特徴とする回転子積層鉄心。
2. 前記永久磁石における少なくとも一方の端面を、前記積層鉄心本体の軸方向端面より内側に位置させ、かつ前記磁石収容孔の開口に臨んで完全に露出させることを特徴とする請求項１記載の回転子積層鉄心。
3. 積層鉄心本体の軸方向に貫通形成した磁石収容孔に永久磁石を挿入し、硬化させた樹脂により前記永久磁石を前記積層鉄心本体に固定して成る回転子積層鉄心の製造方法において、
   前記磁石収容孔に治具の支持凸部を嵌入して前記治具に前記積層鉄心本体を載置し、前記支持凸部により前記磁石収容孔の内部に前記永久磁石を支持した状態で、前記樹脂を前記磁石収容孔に充填する工程を含むことを特徴とする回転子積層鉄心の製造方法。
4. 前記支持凸部において前記永久磁石の端面と当接する支持面は、前記永久磁石の端面の形状と相似であるとともに前記永久磁石の端面以上の面積を有することを特徴とする請求項３記載の回転子積層鉄心の製造方法。
5. 前記支持凸部における底部領域の形状は、前記磁石収容孔における前記開口の形状と合致することを特徴とする請求項３記載の回転子積層鉄心の製造方法。
6. 前記治具は搬送トレイであることを特徴とする請求項３記載の回転子積層鉄心の製造方法。

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