JP2015091139A - 回転電機用ロータおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】磁歪材料を用いて、永久磁石を磁石挿入孔に確実に固定でき、かつ製造工程を簡略化できる回転電機用ロータおよびその製造方法を提供する。【解決手段】磁歪材料４を用いて永久磁石３を径方向外側に対してコの字形に３面を覆うようにして、永久磁石３と磁歪材料４とが密接した状態で磁石挿入孔５に同時に挿入される。磁歪材料４として、超磁歪素子が使用されている。永久磁石３が磁化されると、永久磁石３の磁界により磁歪材料４は、矩形状開口部６を塞ぐように径方向外側および周方向（回転方向）両側に外形が伸びて変形し、永久磁石３を径方向および周方向において磁石挿入孔５内に固定する。【選択図】図３

Description

本発明は、電動モータおよび発電機として用いられる回転電機用ロータおよびその製造方法に関するものである。

従来、回転電機には、ロータコアに永久磁石を埋め込み固定した、いわゆる埋込磁石型のロータを備えたものがある。このロータは、例えば、強磁性板の電磁鋼板を積層したロータコアに形成された軸線方向に延在する直方体状の磁石挿入孔に、直方体状の永久磁石を挿入し径方向と直交するように配置したものが知られている。こうした埋込磁石型のロータを備えた回転電機（ＩＰＭモータという）では、永久磁石によるマグネットトルクのみならず、リラクタンストルクが発生するため、ロータコアの表面に永久磁石を固着した、いわゆる表面磁石型のロータを備える回転電機（ＳＰＭモータ）に比べ、高いトルクが得られる。

このＩＰＭモータは、永久磁石を埋め込む磁石挿入孔の内部に確実に固定できるように、永久磁石を大きな接着力を有する接着剤によって磁石挿入孔の内部に固定したり（例えば、特許文献１参照）、接着力が大きくなるように接着構造を工夫したり、あるいは、永久磁石を磁石挿入孔に挿入した後に、この磁石挿入孔の長手方向における両端の開口を磁石挿入孔が形成されていない電磁鋼板で軸線方向の両側から覆って塞いだり（例えば、特許文献２参照）する構造が提案されている

特開２００７−６８３１８号公報 特開２００９−３８９０６号公報

しかしながら、上記従来のＩＰＭモータでは、永久磁石を先に磁石挿入孔に挿入してから接着剤を硬化させる時間が必要となるため生産性が悪く、また、接着剤の塗布量を一定にすることが困難なため、各磁石挿入孔において永久磁石の固定位置がばらついてしまう。さらに、ロータの高速回転による遠心力や、ロータコアと永久磁石との発熱時の熱膨張の差により接着剤の変位や、剥がれが生じる事態が起こり得る。すると、永久磁石が磁石挿入孔内でがたついて異音が発生する場合がある。

また、ロータコアの軸線方向の端面に永久磁石の移動を防止するために電磁鋼板の蓋（押さえ板）を設けた場合、永久磁石の磁束が直接蓋に流れ永久磁石とこの蓋との間でいわゆる磁束が短絡し、ステータコイルに流れる磁束が減少するためＩＰＭモータの発生トルクが低下する。さらに、電磁鋼板の蓋の内部で磁束が変化することにより、渦電流が発生しＩＰＭモータの発生トルクを低下させる場合がある。上記のような方法により磁石挿入孔内に永久磁石を固定することによって、多くの手間や作業時間がかかっていたとともに製造コストの増加を招いていた。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、磁歪材料を用いて、永久磁石を磁石挿入孔に確実に固定でき、かつ製造工程を簡略化できる回転電機用ロータおよびその製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、回転電機用ロータにおいて、複数枚の積層された強磁性板により形成され、軸線方向に複数の磁石挿入孔が形成されたロータコアと、前記ロータコアの周方向に間隔をおいて配置されるとともに、軸線方向に均一な厚みで直線状に延びて、前記磁石挿入孔に収容された永久磁石と、前記永久磁石の少なくとも２面以上を覆う板状の磁歪材料と、を備え、前記永久磁石および前記磁歪材料は、密接させた状態で、前記磁石挿入孔に嵌合されていることを要旨とする。

上記構成によれば、回転電機に用いられるロータにおいて、永久磁石の少なくとも２面以上に磁歪材料を密接させた状態で、ロータコアに形成された磁石挿入孔に嵌合させるようにしたので、永久磁石の磁界により起きる磁歪材料の弾性変形にともなう外形寸法の変化（膨張）を生じて、永久磁石を磁石挿入孔の内部に確実に固定することができる。これにより、極めて簡単な構造で容易に永久磁石の固定ができ、製造コストを抑制することができるとともに、ロータ回転時永久磁石が磁石挿入孔内を移動することによる回転電機の異音の発生を防止することが可能になる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の回転電機用ロータにおいて、前記磁歪材料は、磁化の増加により形状が変化する超磁歪素子であることを要旨とする。

上記構成によれば、磁歪材料として用いられる超磁歪素子は、磁界の印加による弾性変形が大きく、耐熱性があるため熱膨張による変化が少ない。このため、永久磁石をロータコアの磁石挿入孔内に確実に固定することができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の回転電機用ロータにおいて、前記磁歪材料は、前記磁石挿入孔の内周面に前記永久磁石に対して前記ロータコアの径方向外側および周方向側面側に位置することを要旨とする。

上記構成によれば、磁歪材料を磁石挿入孔の内周壁面に永久磁石に対して径方向外側に配置したので、ロータ回転時に回転遠心力により永久磁石および回転電機の特性へ及ぼす悪影響を抑えることができる。

請求項４に記載の発明は、回転電機用ロータの製造方法において、複数枚の積層された強磁性板により形成され、軸線方向に複数の磁石挿入孔が形成されたロータコアと、前記ロータコアの周方向に間隔をおいて配置されるとともに、軸線方向に均一な厚みで直線状に延びて、前記磁石挿入孔に収容された永久磁石と、前記永久磁石の少なくとも２面以上を覆う板状の磁歪材料と、を備え、前記永久磁石および前記磁歪材料を密接させた状態で、前記磁石挿入孔に嵌合させて形成することを要旨とする。

上記構成によれば、ロータコアに形成された磁石挿入孔に永久磁石と磁歪材料とを密接させた状態で同時に挿入し嵌め合わせることができるので、ロータの製造工程が簡略化される。これにより、ロータの製造時間を短縮することができ、製造コストの低減が可能になる。

本発明によれば、磁歪材料を用いて、永久磁石を磁石挿入孔に確実に固定でき、かつ製造工程を簡略化できる回転電機用ロータおよびその製造方法を提供できる。

本発明の一実施形態に係る回転電機の概略構成を示す断面図。 ロータコアに永久磁石および磁歪材料を嵌め込んだ状態を示す回転電機用ロータの部分断面図。 ロータコアに永久磁石を固定したロータ成形後の状態を示す回転電機用ロータの部分断面図。 他の実施形態におけるロータ成形後の状態を示す回転電機用ロータの部分断面図。

以下に、本発明の実施形態のロータが用いられる回転電機について図に基づいて説明する。なお、以下の説明において、径方向、および軸線方向とは、ロータ（ロータコア）の半径方向および軸方向を指す。

図１は、本発明の一実施形態に係る回転電機１０の概略構成を示す断面図である。回転電機１０は、例えば、車両に搭載され、ステアリング操作を補助する電動パワーステアリング装置や油圧を発生させる電動オイルポンプ装置などの駆動源用の電動モータとして用いられる。本実施形態では、回転電機１０として、３相のブラシレスモータが使用されており、ロータコア２に永久磁石３を埋め込み固着させたロータ１を備えるＩＰＭモータ（磁石埋込型モータ）が使用されている。

図１に示すように、回転電機１０は、円筒状のケース１１内に収容されたステータ１３と、ステータ１３の径方向内側において回転可能に支持されたロータ１とを備えている。ステータ１３は、ケース１１の内周に固定されたステータコア１４を備えており、内周面側に周方向に等間隔で複数（本実施形態では、１２個）のスロット１２が形成されている。ステータコア１４は、隣接するスロット１２の間に円筒状の円筒部（ヨーク）１５と、ヨーク１５から径方向内側に向って放射状に延びる複数（本実施形態では、１２個）のティース１６とからなる。そして、各ティース１６には、スロット１２内に巻装された複数（本実施形態では、１２個）のステータコイル１７が巻回されている。

ロータ１は、回転軸８と、回転軸８と一体回転可能に固定される円筒状のロータコア２と、永久磁石３とを備えている。ロータコア２には、複数（本実施形態では、４個）の永久磁石３がロータコア２内にそれぞれ埋設されて固定されている。すなわち、本実施形態のロータ１は、いわゆる、埋込磁石型のロータとして構成されている。

このように構成された回転電機１０は、各ステータコイル１７に駆動電力が供給されることにより形成される磁界と、永久磁石３の磁束との間に生じる磁気的な吸引力および反発力によりロータ１が回転する構成となっている。

ロータコア２は、鉄や電磁鋼板などの軟磁性材料からなり、回転電機１０の回転軸８が挿入される回転軸挿入孔９を有する略円柱状に形成されている。ロータコア２には、略長方形板状の永久磁石３が内部に配置される複数の磁石挿入孔５が形成されている。なお、本実施形態の磁石挿入孔５は、それぞれ永久磁石３の断面形状と略同一の断面形状を有する孔（空洞）状に形成されている。

永久磁石３は、ロータコア２の外周縁の近傍に９０度間隔で軸線方向に貫通形成された４つの磁石挿入孔５にそれぞれ収容され、ロータコア２に固定保持されている。本実施形態の永久磁石３には、焼結磁石（例えば、ネオジムなど）が用いられ、メッキなどの表面処理材が施されている。また、永久磁石３は、径方向外側および長手方向両側面側の３面を磁歪材料４によってコの字形に覆われた状態で磁石挿入孔５内に固定されている。

永久磁石３は、周方向において一方の極性（例えば、Ｎ極）の永久磁石３が、他方の極性（例えば、Ｓ極）の永久磁石３に隣り合うように磁化（着磁）されている。永久磁石３は、それぞれの板厚方向と略沿う方向に磁化されており、ロータコア２は、ロータコア２の外周縁を通過する永久磁石３の磁束の磁路となっている。なお、永久磁石３は、磁石挿入孔５内に配置された後に着磁されるようになっていてもよいし、先に着磁したものを磁石挿入孔５内に配置固定してもよい。

次に、図２は、ロータコア２の磁石挿入孔５内に永久磁石３および磁歪材料４を嵌め込んだ状態を示すロータ１の部分断面図、図３は、ロータコア２に永久磁石３を固定したロータ成形後の状態を示すロータ１の部分断面図である。

図２に示すように、磁歪材料４を用いて径方向外側に対してコの字形に永久磁石３の径方向外側および周方向（回転方向）側面両側の３面を覆うようにして、永久磁石３が磁石挿入孔５の内壁面に隙間を有して挿入される（磁歪材料４変形前）。

磁歪材料４は、磁気（磁界）を与えると、形状（外形寸法）が変化するものであり、具体的なものとしてその変化量が大きい磁歪素子、あるいは超磁歪素子が使用されている。超磁歪素子は、例えば、テルビウム、ディスプロシウムおよび鉄からなり、磁界中で１,０００ｐｐｍ（１２０ｋＡ/ｍ磁界印加時）を越える大きな弾性変形と大きな機械的力を得ることが可能である。また、この超磁歪素子は耐熱性があるため、熱膨張の変化が少ない。これにより、接着剤などを使用しないで永久磁石３と磁歪材料４とを密接させた状態で磁石挿入孔５に同時に挿入し嵌め合わせることができるようになる。なお、超磁歪素子は、実用上適度な透磁率（磁気の通しやすさ）を有しており、外形を変化させると透磁率が変化する。この効果を利用して、ロータ１は、例えば、高回転域で超磁歪素子に圧力を加えることにより磁路の磁束を減少させることができる。また、ロータ１の低回転時には不要な漏れ磁束を防止することができるため、回転電機１０のコギングトルクやトルクリップルを低減することができる。

また、４つの磁石挿入孔５は、断面が略長方形の矩形状開口部６と矩形状開口部６の両端からロータコア２の外周縁に向ってそれぞれ延びる台形状開口部７とで構成されている。２つの台形状開口部７は、磁気に対するエアギャップとして形成されている。ここで、永久磁石３は、例えば、図２に示す矢印の方向に磁化されると長手方向の径方向外側にＮ極、径方向内側にＳ極が形成される。

次に、図３に示すように、磁歪材料４は、永久磁石３の磁界により、矩形状開口部６を塞ぐように径方向外側および周方向（回転方向）側面両側に外形寸法が伸びて変形し、磁石挿入孔５の内壁面に密着する（磁歪材料４変形後）。これにより、永久磁石３を径方向および周方向において磁石挿入孔５内に固定することが可能になる。

次に、ロータ１の製造方法について説明する。ここで、永久磁石３は、径方向の断面形状が略長方形でロータコア２の軸線方向に直線状に形成されている。ロータコア２は、軟磁性材料により形成され、例えば、表面に絶縁処理が施された珪素鋼板などの電磁鋼板を打ち抜いて所定の形状に形成された複数枚の薄板状の積層鋼板からなる図示しないロータプレートがロータ１の軸線方向に積層固定された積層体である。

具体的には、ロータコア２を形成するあらかじめ挿入孔が形成された各ロータプレートを転積し、すなわち、ロータプレートの向きを回転させて軸線方向に積層し、複数（本実施形態では、４つ）の磁石挿入孔５を形成する（積層工程）。そして、この磁石挿入孔５に永久磁石３および永久磁石３の径方向外側および周方向側面両側の３面を覆うコの字形の磁歪材料４が同時に挿入配置される（挿入工程）。

続いて、永久磁石３が周方向において、例えば、Ｎ極の永久磁石３がＳ極の永久磁石３に隣り合うようにそれぞれの板厚方向と沿う方向に着磁される（着磁工程）。その後、磁歪材料４が、加えられた永久磁石３の磁気（磁界）によって大きく外側に伸びて変形することにより、それぞれの永久磁石３が磁石挿入孔５の内部に固定され（固定工程）、ロータコア２に永久磁石３と磁歪材料４とが配置されるようになっている。そして、固定された回転軸８に永久磁石３が埋設されたロータコア２が圧入により嵌め込まれ、ロータ１が組み付けられる。

次に、上記のように構成された本発明の実施形態に係る回転電機用ロータ１およびその製造方法の作用および効果について説明する。

上記実施形態によれば、回転電機（例えば、ＩＰＭモータなど）１０に用いられるロータ１において、永久磁石３の少なくとも２面以上（本実施形態では、径方向外側および周方向側面両側の３面）に磁歪材料４を密接させた状態で、永久磁石３と磁歪材料４とをロータコア２に形成された磁石挿入孔５に同時に挿入し嵌合させるようにしたので、永久磁石３の磁界により起きる磁歪材料４の弾性変形にともなう外形寸法の変化（膨張）を生じさせて、永久磁石３を磁石挿入孔５内に確実に固定することができる。この結果、強力な接着剤や磁石挿入孔５側に固定用部品などを用いなくても、極めて簡単な構造で容易に永久磁石３の固定ができ、製造コストを抑制することができるとともに、永久磁石３の移動による回転電機１０の異音の発生を防止することが可能になる。

また、磁歪材料４として超磁歪素子（または、磁歪素子）を使用することができる。超磁歪素子は、磁界の印加による弾性変形が大きく、耐熱性を有しているため熱膨張による変化が少ない。このため、永久磁石３をロータコア２の磁石挿入孔５内に安定して確実に固定することができる。さらに、磁歪材料４を磁石挿入孔５の内周壁面に永久磁石３に対して径方向外側に配置したので、回転遠心力により永久磁石３および回転電機１０（例えば、モータ特性など）へ及ぼす悪影響を抑えることができる。

また、上記実施形態のロータ１における製造方法によれば、永久磁石３と磁歪材料４とを密接させた状態でロータコア２に形成された磁石挿入孔５に同時に挿入し嵌め合わせることができるので、製造工程が簡略化される。これにより、ロータ１の製造時間を短縮することができ、製造コストの低減が可能になる。さらに、永久磁石３を磁石挿入孔５に挿入する際に、永久磁石３の外側面が擦れることが防止されるので、表面処理材（例えば、メッキなど）が剥がれることがない。

以上のように、本発明の実施形態によれば、磁歪材料を用いて、永久磁石を磁石挿入孔に確実に固定でき、かつ製造工程を簡略化できる回転電機用ロータおよびその製造方法を提供することができる。

以上、本発明に係る実施形態について説明したが、本発明はさらに他の形態で実施することも可能である。

上記実施形態では、永久磁石３の径方向外側および周方向側面両側の３面を磁歪材料４で覆い永久磁石３を磁石挿入孔５内に固定する場合について示したが、これに限定されるものでなく、磁歪材料４は、例えば、四角形の筒状に形成されていてもよい。また、磁歪材料４は、永久磁石３の径方向外側を含む周方向側面側の何れか一方の２面を覆うものであってもよい。

ここで、図４（ａ）は、四角形筒状の磁歪材料４の実施形態におけるロータ成形後の状態を示すロータ１の部分断面図である。図４（ａ）に示すように、永久磁石３は、断面が四角形筒状に成形された磁歪材料４により軸線方向に延びた４面を覆われており、磁歪材料４は、永久磁石３の磁界により外形が外側に大きく変形して、永久磁石３を磁石挿入孔５内に固定することができる。

上記実施形態では、永久磁石３は、均一な板厚の平板で成形されており、径方向断面形状は略長方形板状であったが、これに限定されるものでなく、永久磁石３の断面形状は、例えば、略逆円弧状、逆Ｕ字形やＶ字形、扁平な台形状、あるいは、回転軸８の中心から径方向外側に放射状に延びる平板状の形状を有した永久磁石でもよい。

ここで、図４（ｂ）は、Ｖ字形状を形成する永久磁石３の実施形態においてロータ成形後の状態を示すロータ１の部分断面図である。図４（ｂ）に示すように、断面形状が略長方形の２つの永久磁石３がＶ字形状に配置され、径方向外側に対してコに字形に成形された磁歪材料４と永久磁石３とが密接した状態で磁石挿入孔５内に同時に挿入されて磁歪材料４の変形により永久磁石３が固定される。

上記実施形態では、永久磁石３にネオジム焼結磁石を用いたが、これに限定されるものでなく、例えば、ボンド磁石（例えば、プラスチック磁石、ゴム磁石、希土類磁石など）を用いてもよい。

上記実施形態では、本発明を電動パワーステアリング装置や電動オイルポンプ装置などの駆動源に用いられる電動モータに具体化したが、これに限定されるものでなく、他の装置の駆動源として用いてもよく、また、発電機として用いてもよい。

１：ロータ、２：ロータコア、３：永久磁石、４：磁歪材料（超磁歪素子）、
５：磁石挿入孔、６：矩形状開口部、７：台形状開口部、８：回転軸、
９：回転軸挿入孔、１０：回転電機（ＩＰＭモータ）、１１：ケース、１２：スロット、１３：ステータ、１４：ステータコア、１５：ヨーク、１６：ティース、
１７：ステータコイル

Claims (4)

1. 複数枚の積層された強磁性板により形成され、軸線方向に複数の磁石挿入孔が形成されたロータコアと、
   前記ロータコアの周方向に間隔をおいて配置されるとともに、軸線方向に均一な厚みで直線状に延びて、前記磁石挿入孔に収容された永久磁石と、
   前記永久磁石の少なくとも２面以上を覆う板状の磁歪材料と、を備え、
   前記永久磁石および前記磁歪材料は、密接させた状態で、前記磁石挿入孔に嵌合されていることを特徴とする回転電機用ロータ。
2. 請求項１に記載の回転電機用ロータにおいて、
   前記磁歪材料は、磁化の増加により形状が変化する超磁歪素子であることを特徴とする回転電機用ロータ。
3. 請求項１または請求項２に記載の回転電機用ロータにおいて、
   前記磁歪材料は、前記磁石挿入孔の内周面に前記永久磁石に対して前記ロータコアの径方向外側および周方向側面側に位置することを特徴とする回転電機用ロータ。
4. 複数枚の積層された強磁性板により形成され、軸線方向に複数の磁石挿入孔が形成されたロータコアと、
   前記ロータコアの周方向に間隔をおいて配置されるとともに、軸線方向に均一な厚みで直線状に延びて、前記磁石挿入孔に収容された永久磁石と、
   前記永久磁石の少なくとも２面以上を覆う板状の磁歪材料と、を備え、
   前記永久磁石および前記磁歪材料を密接させた状態で、前記磁石挿入孔に嵌合させて形成することを特徴とする回転電機用ロータの製造方法。

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