JP2016101062A - 熱衝撃に強いボンド磁石を搭載したインナーロータ型モータ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】略円筒状のスリーブと、スリーブの内周に嵌挿したシャフトと、スリーブの外周に配置された永久磁石を備えてなる永久磁石付ロータであって、前記永久磁石は、磁石粉末と熱可塑性樹脂とを含み、スリーブの外周に射出成形により前記スリーブと一体になって形成され、前記永久磁石は、−40℃における引張応力に対する伸び率が0.57%以上であることを特徴とするロータ及び該ロータを備えるインナーロータ型モータ。
【選択図】図2
Description
インナーロータ型モータのロータは、シャフトとスリーブ(ヨーク)と永久磁石より構成される。前記シャフトはスリーブに固定され、スリーブの外周側には多極着磁された永久磁石が接着剤や射出成形による一体成形などにより固定されてなる。
例えば上述のインナーロータ型モータを構成するロータに使用する永久磁石においては、低温下における良好な可撓性を有し、そして幅広い温度領域において機械強度並びに磁石特性を保持できる性能が求められる。
特許文献2には、モータやセンサ等に使用可能な永久磁石材料として、低温環境下における可撓性や機械強度の向上を図ったボンド磁石組成物が提案されている。
磁石は、磁石粉末と熱可塑性樹脂とを含み、スリーブの外周に射出成形により前記スリーブと一体になって形成され、前記永久磁石は、−40℃における引張応力に対する伸び率が0.57%以上であることを特徴とするロータに関する。
また本発明は、前記ロータを備えるインナーロータ型モータも対象とする。
前述した通り、これまで提案されたロータにあっては、主に室内で使用される電気機器を想定した温度条件(−30℃〜80℃)にてヒートサイクル試験やヒートショック試験が実施され、前記ロータに使用される永久磁石として、この温度範囲において良好な機械特性や磁石性能を保持できる磁石の検討が為されてきた。
これに対し、屋外での使用を想定した燃料ポンプ及び燃料ポンプを構成する部品には、より過酷で急激な温度変化が想定される温度環境下において、具体的には[−40℃(2時間)、110℃(2時間)(1サイクルの所要時間4時間)]を1サイクルとする熱衝撃試験を500サイクル以上耐え得る性能を有することが求められる。
図1に示すように、本発明のロータ1は、シャフト3と略円筒状のスリーブ2(ヨークとも称する)と永久磁石4を備えて構成される。前記シャフト3はスリーブ2の内周に嵌挿(圧入)され、スリーブ2に固定される。スリーブ2の外周面にはローレット加工等を施すことにより、後述する永久磁石4との密着面積を増加させることができる。スリーブ2とその外周に配置された永久磁石4は射出成形により一体になって形成される。前記永久磁石4は、その外周表面が極異方配向させてなる。
前記永久磁石は、磁石粉末と熱可塑性樹脂とを含みて構成され、上述の引張応力に対する伸び率を有するものであれば特に限定されない。
また、永久磁石の性能保持のために、従来知られている樹脂用の種々の添加剤を配合することができ、例えば本発明のロータの使用環境を考慮した場合、熱による劣化を防止す
べく酸化防止剤などを配合し得る。酸化防止剤はその機能に応じて、フリーラジカル捕捉機能を有する酸化防止剤と過酸化物分解機能を有する酸化防止剤に大別され、中でも過酸化物分解機能を有する酸化防止剤を採用することが好ましい。
例えば本発明のロータに用いる永久磁石としては、磁石粉末と熱可塑性樹脂と熱可塑性エラストマーと過酸化物分解機能を持つ酸化防止剤とを含みて構成されることが好ましい。
また前記熱可塑性樹脂及び熱可塑性エラストマーとしては、例えばポリアミド系樹脂及びポリアミド系エラストマーを採用することが好ましい。
また前記永久磁石において、前記熱可塑性樹脂と前記熱可塑性エラストマーを、例えば熱可塑性樹脂:熱可塑性エラストマー=70:30〜60:40の質量比にて配合することが好ましい。
そして前記酸化防止剤は、前記熱可塑性樹脂と前記熱可塑性エラストマーの合計質量に対して例えば1乃至3質量%の割合にて配合することが好ましい。
また前記シャフトもステンレス鋼製であることが好ましく、中でもSUS440C製であることが最も好ましい。
なお、前述の特許文献2に示すボンド磁石にあっては、スリーブ材として鉄を採用しヒートサイクル試験を実施している。鉄の線膨張係数は12.1×10−6/Kと小さく、特に−40℃下での鉄の収縮量はボンド磁石を構成する樹脂の収縮量よりも通常小さくなり、結果、低温側での樹脂の収縮圧力が高くなり、樹脂割れが生じやすくなる虞がある。本発明では、線膨張係数がボンド磁石により近いステンレス鋼をスリーブ材及びシャフト材として用いることにより、低温側における線膨張率の差によるロータの破損(クラック発生)を抑制することができる。
モータの構成は特に限定されず、当技術分野において従来知られているインナーロータ型モータの構成を種々採用し得、一例として前述の特許文献1に示す燃料ポンプを構成するモータを採用することができるがこれらに限定されない。
上記永久磁石に使用する熱可塑性樹脂バインダとして、低温での可撓性に優れたポリアミド12(PA12)を用い、ここにPA12の弾性率を高めるためにポリアミド12エラストマー(PA12エラストマー)を配合した。
PA12とPA12エラストマーとの配合比を質量比で100:0から60:40へと変化させた下記の4種の熱可塑性樹脂バインダを作製した。
試料1 PA12:PA12エラストマー=100:0
試料2 PA12:PA12エラストマー=80:20
試料3 PA12:PA12エラストマー=70:30
試料4 PA12:PA12エラストマー=60:40
試料5: 試料3+酸化防止剤A 2.7質量%
試料6: 試料3+酸化防止剤B 1.0質量%
試料7: 試料3+酸化防止剤B 2.0質量%
Sm−Fe−N系異方性磁石粉末 100質量部に対して前記試料1乃至試料7の熱可塑性樹脂バインダ10質量部をそれぞれ混合し、磁石材料A乃至磁石材料Gを作製した。
尚、磁石材料Aの熱膨張係数は39×10−6/Kであった。
図1に示すロータ1を以下の通り作製した。
外径φ14mm長さ18mmのSUS303製スリーブ2(SUS303の熱膨張率:20×10−6/K)の内周に、SUS440C製のシャフト3(外径φ6mm長さ80mm、SUS440の熱膨張率:10×10−6/K)を圧入固定する。次にシャフト3が圧入固定されたスリーブ2を図示しない型内に収容し、スリーブ2の外周を囲繞する型キャビティに前述の磁石材料A乃至磁石材料Gが均等に配置され且つ前記スリーブ2と一体になるように前記磁石材料を射出して成形し、永久磁石4をスリーブ2の外周に形成した。なお、成形体(スリーブ2と永久磁石4の一体成形物)の寸法を外径φ20mm長さ18mmとし、また射出成形時には(成形後の)永久磁石4の外周表面4aに極異方性の磁場配向をかけながら成形し、ロータ1とした。各磁石材料についてそれぞれ20個ずつロータ1を作製した。なおこれら成形体並びに完成品のロータ1の寸法、質量を統一した。
得られたロータ1は、図1に示す通り、SUS440C製のシャフト3と、略円筒状のSUS303製のスリーブ2と、前記磁石材料A乃至Gのいずれかよりなる永久磁石4を備え、前記永久磁石4は前記スリーブ2の外周に該スリーブと一体になるように射出成形されてなり、前記シャフト3は該スリーブ2の内周に嵌挿されてスリーブ2に固定されてなる。
前述の<ロータの作製>にて作製したロータ1(磁石材料A乃至磁石材料G毎に各20個)について、「−40℃(2時間)、110℃(2時間)、ダンバ切り替えによる110℃または−40℃への到達時間:5分」を1サイクルとした500サイクルの熱衝撃試験を行った。
40サイクル毎にロータの外観確認を行い、磁石材料別に、全てのロータの外観に割れが確認されなかったサイクルを○と評価して試験を続行し、1つでもロータの外観に割れが確認されたサイクルを×と評価し以降の試験を終了した。得られた結果を表1に示す。
なお、屋外使用を想定した燃料ポンプのモータに用いるロータにおいて、上記サイクルを用いた熱衝撃試験では、500サイクル程度の耐久性が通常求められる。
また、同じ熱可塑性樹脂バインダ(試料3)を使用し、酸化防止剤の未添加の磁石材料Cと、酸化防止剤を添加した磁石材料E乃至磁石材料Gを使用したロータの試験結果より、酸化防止剤の添加により熱衝撃性試験の耐久性が高まることが確認された。さらに、フリーラジカル補足機能を有する酸化防止剤A(配合例:磁石材料E)と比べ、過酸化物分解機能を有する酸化防止剤B(配合例:磁石材料F及び磁石材料G)を配合した場合、少ない添加量でも優れた耐久性を磁石材料に付与できることが確認された。
また他の原因の一つとして、急激な温度変化における熱可塑性樹脂バインダ内部の不均一な熱膨張や収縮の発現が考えられる。こうした温度変化に対して、材料の膨張・収縮を緩和できるように適度な伸び率を付与すること、特に低温(−40℃)晒し時において可撓性を確保するような材料の選択が好ましいと考えられる。
そして、これらを勘案し、本発明では、熱可塑性エラストマーと過酸化物分解機能を有する酸化防止剤の配合により、樹脂バインダの高温環境下における耐久性を高め、熱衝撃試験におけるロータの耐久性改善につながったものと考えられる。
Sm−Fe−N系異方性磁石粉末 100質量部に対して試料1乃至試料7の熱可塑性樹脂バインダを10質量部混合し、<評価1>と同様に磁石材料A乃至磁石材料Gを作製した。
前記磁石材料A乃至磁石材料Gを用いて、標線間距離が20mmのダンベル状試験片(磁石材料A乃至磁石材料Gに対応して磁石1乃至磁石7とする)を作製した(各磁石毎に15個ずつ作製)。
切断時の伸び率(%)=[(L−L0)/L0]×100
L0:試験前の試料長さ L:切断時の試料長さ
なお、引張試験の試験条件は以下のとおりである。
・引張試験装置(テクノグラフTG−5KN ミネベア株式会社製)
・引張速度:1mm/分
・試験温度:−40℃
2・・・スリーブ
3・・・シャフト
4・・・永久磁石
4a・・・永久磁石の外周表面
Claims (6)
- 略円筒状のスリーブと、スリーブの内周に嵌挿したシャフトと、スリーブの外周に配置された永久磁石とを備えてなる永久磁石付ロータであって、
前記永久磁石は、磁石粉末と熱可塑性樹脂とを含み、スリーブの外周に射出成形により前記スリーブと一体になって形成され、
前記永久磁石は、−40℃における引張応力に対する伸び率が0.57%以上であることを特徴とするロータ。 - 略円筒状のスリーブと、スリーブの内周に嵌挿したシャフトと、スリーブの外周に配置された永久磁石とを備えてなる永久磁石付ロータであって、
前記永久磁石は、磁石粉末と熱可塑性樹脂とを含み、スリーブの外周に射出成形により前記スリーブと一体になって形成され、
前記永久磁石は、−40℃における引張応力に対する伸び率が0.9%以上であることを特徴とするロータ。 - 前記永久磁石は、磁石粉末と熱可塑性樹脂と熱可塑性エラストマーと過酸化物分解機能を持つ酸化防止剤とを含むことを特徴とする、請求項1または2に記載のロータ。
- 前記スリーブがステンレス鋼製であることを特徴とする、請求項1乃至3のうちいずれか一項に記載のロータ。
- 前記スリーブがSUS303からなることを特徴とする、請求項4に記載のロータ。
- 請求項1乃至5のうちいずれか一項に記載のロータを備えるインナーロータ型モータ。
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