JP2016111787A - 埋込磁石型ロータ、および埋込磁石型ロータの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】プレス加工を複雑化することなく漏れ磁束を低減すること。【解決手段】ロータ１０のコア２０は、第１部分２２と第２部分２４とを備えている。第１部分２２は、回転軸３４に連結されている一方、第２部分２４は回転軸３４から分離されている。第１部分２２の縁部２２ｂと第２部分２４の縁部２４ｂとの間には永久磁石３０が充填されている。永久磁石３０の両端には、それぞれ連結部材４０が配置されている。第１部分２２の縁部２２ａは径方向内側を向いており、第２部分２４の縁部２４ａは径方向外側を向いている。連結部材４０は第１部分２２の縁部２２ａと第２部分２４の縁部２４ａとの間に嵌め込まれている。連結部材４０の透磁率は、コア２０の透磁率よりも低い。【選択図】図１

Description

本発明は、永久磁石がコアに埋め込まれた埋込磁石型ロータ、および埋込磁石型ロータの製造方法に関する。

埋込磁石型ロータは、空気よりも透磁率が高いコア内に永久磁石が埋め込まれているため、永久磁石のＮ極から出た磁束がステータコイルを鎖交することなくＳ極に入る短絡磁路がコアによって形成される。短絡磁路による漏れ磁束が増えると、永久磁石の磁束を有効に利用できない。

そこで従来は、たとえば特許文献１に見られるように、コアを電磁鋼板の積層体として構成し、電磁鋼板のうち短絡磁路となりうる部分に塑性歪みを付与することが提案されている。塑性歪みを付与した部分は、付与しなかった場合と比較して磁気抵抗が大きくなる。このため、短絡磁路内の磁束を低減することができる。

特開２００５−１１７７４０号公報

ところで、上記ロータは、プレスによる打ち抜き加工によって電磁鋼板を成型するに際し、特定の箇所に限って塑性歪みを付与する必要が生じ、プレス加工が複雑となる。
本発明は、そうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、プレス加工を複雑化することなく漏れ磁束を低減することのできる埋込磁石型ロータ、およびその製造方法を提供することにある。

以下、上記課題を解決するための手段およびその作用効果について記載する。
１．埋込磁石型ロータは、永久磁石がコアに埋め込まれた埋込磁石型ロータであって、前記コアは、第１部分と第２部分とを含み、少なくとも当該埋込磁石型ロータの径方向外側において前記第１部分の縁部と前記第２部分の縁部とは、隙間を有して互いに対向しており、前記永久磁石は、前記隙間に配置されており、前記第１部分および前記第２部分の双方と前記永久磁石とに接触する連結部材を備え、前記第１部分および前記第２部分は、前記径方向外側における縁部が、当該埋込磁石型ロータの径方向に対して一方向に傾いており、前記第１部分は、当該埋込磁石型ロータの回転軸に連結されており、前記第２部分のうち前記連結部材に接触する箇所は、前記連結部材に対して当該埋込磁石型ロータの径方向内側に位置する。

上記構成では、第２部分のうち連結部材に接触する箇所が連結部材に対して径方向内側に位置するため、第２部分に遠心力が加わると、この力が連結部材を介して第１部分に伝えられる。ここで、第１部分は、回転軸に連結されている。このため、第１部分から連結部材に上記伝達された力に抗する力が及ぼされ、連結部材から第２部分にこの力が伝えられる。このため、第２部分が遠心力によって飛散することを、連結部材によって抑制することができる。

また、第１部分および第２部分は、永久磁石に接触する部分よりも連結部材側における縁部が互いに離れているため、連結部材に接触する永久磁石の端部の磁束にとっての短絡磁路が、コアによって形成されることがない。短絡経路を形成しうる位置には、連結部材が存在するものの、連結部材はコアとは分離した部材であるため、連結部材の形状や材料の設定によって、漏れ磁束を低減することが可能である。すなわち、たとえば連結部材の透磁率をコアの透磁率よりも低くするなら、連結部材に磁束が通りにくくなり、ひいては漏れ磁束を低減することができる。またたとえば、連結部材をコアよりも硬度の高いものとして磁路を形成する断面積をコアの材料によって実現可能なものよりも小さくするなら、連結部材で磁気飽和を早期に生じさせることができ、ひいては漏れ磁束を低減することができる。

こうした効果は、コアを電磁鋼板とすることを前提とせず、またコアに塑性歪みを付与することを必要としない。このため、上記構成では、プレス加工を複雑化することなく漏れ磁束を低減することができる。

２．上記１記載の埋込磁石型ロータにおいて、前記永久磁石は、一対の端部が当該埋込磁石型ロータの径方向外側において互いに異なる前記連結部材に接触するものであり、前記第２部分は、前記永久磁石によって前記第１部分および前記回転軸の双方から分離された部分である。

上記構成では、永久磁石の一対の端部のそれぞれが互いに異なる連結部材に接触している。このため、一対の端部のそれぞれの磁束のうち漏れ磁束となるものの割合を低減することができる。また、上記構成では、第２部分が回転軸に連結されていないが、第２部分のうち連結部材に接触する箇所が連結部材に対して径方向内側に位置するため、第２部分に遠心力が加わると、これに抗する力が連結部材から及ぼされる。このため、第２部分が遠心力によって飛散することを、連結部材によって抑制することができる。

３．上記１または２記載の埋込磁石型ロータにおいて、前記連結部材の透磁率は、前記コアの透磁率よりも低い。
上記構成では、連結部材の透磁率がコアの透磁率よりも低いため、連結部材にはコアよりも磁束が通りにくい。このため、第１部分と第２部分とをコアの外周部で互いに離すことなく連結された構成としてコアによって短絡磁路が形成される場合と比較して、連結部材を短絡磁路とする漏れ磁束の方が小さくなる。

４．上記１〜３のいずれか１項に記載の埋込磁石型ロータにおいて、前記永久磁石がボンド磁石である。
ボンド磁石は、加熱することで流動性を付与しやすいため、コアに流動性を付与したボンド磁石の磁石材料を充填することができる。この際、第１部分と第２部分との間に連結部材を配置しておくなら、流動性を付与された磁石材料が充填されるにつれて連結部材に力が及ぼされ、連結部材が第１部分および第２部分の双方に接触してそれらに強く押しつけられるようになる。そしてこれにより、連結部材を埋込磁石型ロータに組み付けることができる。したがって、上記構成では、漏れ磁束を低減するための連結部材を磁石材料の充填工程において組み付けることができる。

５．上記１〜４のいずれか１項に記載の埋込磁石型ロータにおいて、前記連結部材の硬度は、前記コアの硬度よりも高い。
上記構成では、連結部材の硬度がコアの硬度よりも高いため、連結部材の断面積を、この部分をコアによって形成する場合の断面積よりも小さくすることが可能となる。そしてこの場合、連結部材に磁束が入ったとしてもコアよりも少量の磁束で磁気飽和を生じさせることが可能となり、ひいては漏れ磁束を低減することができる。またたとえば、連結部材をコアに食い込ませることも可能となり、この場合、連結部材とコアとの結合力を高めることができる。

６．上記１〜５のいずれか１項に記載の埋込磁石型ロータの製造方法において、前記コアのうち前記径方向外側に前記連結部材を配置する配置工程と、前記配置工程の後、前記第１部分と前記第２部分との間の前記隙間に前記永久磁石または該永久磁石の磁石材料のいずれかを充填する充填工程とを有し、前記充填工程において、前記いずれかが前記連結部材に及ぼす力によって、該連結部材を前記第１部分および前記第２部分に押し当てる。

上記方法では、充填工程において永久磁石または磁石材料が連結部材に及ぼす力を利用して、連結部材を組みつけることができる。

一実施形態にかかる埋込磁石型ロータの断面形状を示す断面図。 図１のＡ部分の拡大図。 （ａ）〜（ｃ）は、同実施形態にかかる埋込磁石型ロータの製造工程を示す断面図。 同実施形態にかかる埋込磁石型ロータの回転時に生じる力を模式的に示した断面図。 同実施形態の変形例にかかる埋込磁石型ロータの断面形状を示す断面図。 （ａ）および（ｂ）は、同実施形態の変形例にかかる埋込磁石型ロータの製造工程を示す断面図。

以下、埋込磁石型ロータおよびその製造方法の一実施形態について、図面を参照しつつ説明する。
図１に示すロータ１０は、埋込磁石同期機（ＩＰＭＳＭ）を構成する。ロータ１０は、円筒状をなしている。ロータ１０は、コア２０を備えている。コア２０は、電磁鋼板を複数積層して形成されている。コア２０は、回転軸３４に連結された第１部分２２と、第１部分２２に対して分離された第２部分２４とを備えている。そして、第１部分２２の縁部２２ａ，２２ｂと第２部分２４の縁部２４ａ，２４ｂとは、隙間を有して互いに対向して配置されている。そして、隙間には、永久磁石３０が充填されている。第２部分２４は、ロータ１０の周方向Ｄｃに沿って５箇所に設けられており、これに対応して、永久磁石３０は、周方向Ｄｃに沿って、５箇所に配置されている。これら永久磁石３０は、ロータ１０の軸方向に直交する断面形状が略Ｕ字状の形状である。なお、永久磁石３０の磁石材料は、磁粉と樹脂との混合物であるボンド磁石である。

永久磁石３０は、ロータ１０の径方向外側において、連結部材４０に接触している。連結部材４０は、第１部分２２および第２部分２４にも接触しており、第１部分２２のうち永久磁石３０に接触する部分よりも連結部材４０側の縁部２２ａと、第２部分２４のうち永久磁石３０に接触する部分よりも連結部材４０側の縁部２４ａとが互いに離れている。

図２に、図１のＡ部の拡大図を示す。図２に示すように、第１部分２２の縁部２２ａは、直線形状となっており、縁部２２ａの延びる方向Ｄ１は、ロータ１０の径方向Ｄｒに対して角度θ（０＜｜θ｜＜９０°）だけ傾いている。また、第２部分２４の縁部２４ａは、直線形状となっており、縁部２４ａの延びる方向Ｄ２は、径方向Ｄｒに対して角度θだけ傾いている。すなわち、第１部分２２の縁部２２ａと第２部分２４の縁部２４ａとは、ともに径方向Ｄｒに対して同一の大きさであって且つ同一の回転方向を有する角度θだけ傾いている。したがって、縁部２２ａが対向する方向Ｄａは、径方向Ｄｒ内側（径方向Ｄｒについての図の矢印とは逆側）の成分を有する。一方、縁部２４ａが対向する方向Ｄｂは、径方向Ｄｒの外側の成分を有する。また、第１部分２２の縁部２２ａのうちコア２０の外周２２ｃと接触する端部ＰＯ１は、第２部分２４の縁部２４ａのうちコア２０の外周２４ｃと接触する端部ＰＯ２に対して分離されている。

連結部材４０の任意の２点を結ぶ線の長さの最大値は、ロータ１０の回転中心Ｏと端部ＰＯ１とを結ぶ図中２点鎖線に直交する図中１点鎖線部分の長さよりも長くなっている。なお、図２に１点鎖線にて示す線は、実際には、２点鎖線に直交して且つ連結部材４０を横切る任意の線でよいため、無限に存在するが、図２においてはそのうちの１つを例示している。

本実施形態では、連結部材４０をコア２０よりも透磁率の低い部材としている。詳しくは、連結部材４０を、非磁性体としている。また、本実施形態では、連結部材４０の硬度を、コア２０の硬度よりも高くしている。そして、図２に示すように、連結部材４０のうち第１部分２２に接触する端部Ｅ１は、第１部分２２に食い込んでいる。また、連結部材４０のうち第２部分２４に接触する端部Ｅ２は、第２部分２４に食い込んでいる。

次に、図３に基づき、ロータ１０の製造方法について説明する。
図３（ａ）は、永久磁石３０を配置するスペース（隙間）を設けて第１部分２２と第２部分２４とを配置し、第１部分２２と第２部分２４との間に連結部材４０を配置したところを示している。換言すれば、連結部材４０の配置工程の完了時を示す。なお、配置工程において、第１部分２２、第２部分２４、および連結部材４０は、表面が平らな所定の部材の上に配置される。

図３（ｂ）は、第１部分２２と第２部分２４との間に、永久磁石３０の材料である磁石材料３０ａを充填する充填工程を示す。ここで、充填対象となる磁石材料３０ａは、磁紛と樹脂との混合物が高温とされることで流動性が付与されたものである。充填工程において、磁石材料３０ａが充填されると、磁石材料３０ａは、ロータ１０の径方向外側へと流動し、連結部材４０に到達する。これにより、連結部材４０に力が加わり、図３（ｂ）に矢印にて示す方向に連結部材４０が変位する。

図３（ｃ）は、充填工程の完了時を示す。図３（ｃ）に示すように、連結部材４０が第１部分２２および第２部分２４に接触することで、その変位が規制される。詳しくは、本実施形態では、連結部材４０の硬度をコア２０の硬度よりも高くしているため、連結部材４０がコア２０に接触した後も連結部材４０に磁石材料３０ａが力を加えることで連結部材４０がコア２０に食い込んでいくため、ある程度変位する。しかし、連結部材４０の変位は、第１部分２２や第２部分２４によって制限されるため、やがて停止する。そして、磁石材料３０ａに磁場が印加されることで、図１に示したロータ１０が製造される。なお、磁石材料３０ａへの磁場の印加工程（着磁工程）の期間は、充填工程の期間と重複することが望ましい。これは、流動性を有する磁石材料３０ａに磁場が印加されることで、永久磁石３０の配向率が向上するためである。ちなみに、配向率とは、磁化容易方向が磁石材料を着磁して生成された永久磁石の表面に垂直な方向に揃っている度合いのこととする。

ここで、図４を参照しつつ本実施形態の作用について説明する。
ロータ１０を備えるＩＰＭＳＭが回転すると、径方向Ｄｒに遠心力が生じる。連結部材４０のうち第１部分２２に接触する側において、遠心力Ｆｃ１は、縁部２２ａの方向Ｄ１に平行な成分Ｆｔ１と、これに直交する成分Ｆｎ１に分解される。ここで、成分Ｆｎ１は、第１部分２２の縁部２２ａに直交し、作用反作用の法則によって、第１部分２２から逆方向の力が連結部材４０に及ぼされることとなる。また、成分Ｆｔ１によって連結部材４０が変位しようとする場合、連結部材４０は第１部分２２にさらに食い込むことが必要となる。このため、成分Ｆｔ１によって連結部材４０が変位することは抑制される。

一方、連結部材４０のうち第２部分２４に接触する側において、遠心力Ｆｃ２は、縁部２４ａの方向Ｄ２に平行な成分Ｆｔ２と、これに直交する成分Ｆｎ２とに分解される。ここで、成分Ｆｎ２は、第１部分２２側に連結部材４０を押す力となり、結果、第１部分２２からこの力に抗する力が及ぼされる。

また、第１部分２２に加わる遠心力は、第１部分２２が回転軸３４に連結されているために、回転軸３４との連結力によって相殺される。さらに、第２部分２４は、回転軸３４に固定されていないものであるが、連結部材４０によってその変位が妨げられる。すなわち、第２部分２４が遠心力によって径方向Ｄｒ外側に変位しようとすると、これにより、第２部分２４の縁部２４ａの方向Ｄ２に直交する力の成分が生じる。この力により第２部分２４が連結部材４０に力を及ぼすと、連結部材４０が第１部分２２を押すこととなり、第１部分２２からの反作用によって、連結部材４０が押し返され、連結部材４０から第２部分２４に反作用が生じる。

さらに、連結部材４０はコア２０よりも透磁率が低い。このため、永久磁石３０のＮ極から出てＳ極に入る磁束のうち連結部材４０を通過する磁束が低減される。
以上説明した本実施形態によれば、以下に記載する効果が得られるようになる。

（１）コア２０よりも透磁率の低い連結部材４０を、永久磁石３０の端部に接触させることで、プレス加工を複雑化することなく、漏れ磁束を低減することができる。
（２）コア２０のうち回転軸３４に連結されていない第２部分２４が連結部材４０に接触する箇所が、連結部材４０に対して径方向Ｄｒの内側に位置するようにした。換言すれば、第２部分２４の縁部２４ａが径方向Ｄｒの外側において連結部材４０に対向するようにした。これにより、第２部分２４が遠心力によって変位しようとすると、連結部材４０からこれに抗する力が及ぼされるため、第２部分２４の飛散が抑制される。

（３）連結部材４０の透磁率をコア２０の透磁率よりも低くした。これにより、連結部材４０が、永久磁石３０のＮ極とＳ極とを結ぶ短絡磁路を構成することを抑制することができる。

（４）磁石材料３０ａに流動性を持たせた状態で磁石材料３０ａを第１部分２２および第２部分２４間に充填する際に磁石材料３０ａが連結部材４０に及ぼす力によって、連結部材４０を第１部分２２および第２部分２４に押し当て、連結部材４０を組みつけた。これにより、充填工程における磁石材料３０ａの充填を利用して連結部材４０を組みつけることができる。

（５）永久磁石３０をＵ字状の形状とし、その両端のそれぞれに連結部材４０を接触させた。このため、永久磁石３０の両端部のそれぞれからの漏れ磁束を低減することができる。

＜その他の実施形態＞
なお、上記各実施形態は、以下のように変更して実施してもよい。
・「縁部２２ａ，２４ａについて」
図２に例示したように、直線である縁部２２ａの方向Ｄ１と、直線である縁部２４ａの方向Ｄ２とが等しいものに限らない。これらが互いに異なる場合であっても、径方向Ｄｒに対する傾きを示す角度θの符号が互いに等しいなら、縁部２２ａが連結部材４０に接触する箇所が連結部材４０に対して径方向Ｄｒの外側に位置して且つ縁部２４ａが連結部材４０に接触する箇所が連結部材４０に対して径方向Ｄｒの内側に位置するようにすることができる。

また、縁部２２ａ，２４ａを直線とするものに限らない。たとえば円弧を描くものであってもよい。この場合、縁部２２ａ，２４ａがロータ１０の径方向Ｄｒに対して一方向に傾くとは、円弧の弦と径方向Ｄｒとのなす鋭角の符号が同一であることとすればよい。

・「第１部分と第２部分とについて」
上記実施形態では、第２部分２４が、回転軸３４から分離しているとしたが、これに限らない。図５に、第１部分２２のみならず第２部分２４も回転軸３４に連結されている例を示す。なお、図５において、図１に示した部材に対応するものについては、便宜上、同一の符号を付している。

図５に示す例では、永久磁石３０は、Ｕ字状の部材を２分割した形状となっており、隣接する一対の永久磁石３０によって、Ｕ字状の形状を構成するものとなっている。この場合、第２部分２４は第１部分２２と連結されている。換言すれば、コア２０は、電磁鋼板の一部が永久磁石３０を充填するために打ち抜かれて構成されている。そして、この例においても、第２部分２４は、連結部材４０に接触する箇所が連結部材４０よりも径方向Ｄｒ内側に位置する部分である。なお、第１部分２２と第２部分２４とは、回転軸３４の近くにおいてその区別が明確ではない。しかし、径方向Ｄｒの外側において明確に区別された部分として定義されている。

・「コアについて」
電磁鋼板の積層体に限らず、任意の薄板状部材の積層体でよい。もっとも、薄板状部材の積層体にも限らず、単一のフェライトや圧粉磁心によって構成するなどしてもよい。

・「連結部材について」
非磁性体に限らない。ここで、連結部材４０の透磁率がコア２０の透磁率よりも低いなら、連結部材４０が短絡磁路となる漏れ磁束を低減することができる。また、磁性体であってもよい。この場合であっても、連結部材によって形成される磁路の断面積を小さくすることで、磁気飽和がしやすく結果として漏れ磁束を低減することができる。そして、この磁性体がコア２０よりも硬い等、強固なものであるなら、コア２０によって形成される短絡磁路の断面積を小さくする場合と比較して、ロータ１０の耐久性を向上させることができる。

・「永久磁石について」
図１や図５に例示した形状に限らず、たとえばＶ字状であってもよい。
ボンド磁石に限らない。たとえば、焼結磁石であってもよい。この場合であっても、永久磁石３０をコア２０に充填する工程において連結部材４０を第１部分および第２部分２４間に固定することが可能である。図６に、これについて例示する。なお、図６において、図１に示した部材に対応するものについては、便宜上、同一の符号を付している。

図６（ａ）には、コア２０の第１部分２２と第２部分２４との間に、連結部材４０および永久磁石３０を配置した工程を示している。ここでは、永久磁石３０を平板形状に凸部３２が形成されたものとする。また、この工程では、永久磁石３０を第１部分２２に密着させ、第２部分２４から離間させておく。この状態から、永久磁石３０に力を加えて永久磁石３０を第２部分２４側に押しつけると、図６（ｂ）に示すように、連結部材４０は、永久磁石３０の凸部３２によって第１部分２２に押しつけられ固定される。なお、この工程の後、永久磁石３０と第１部分２２との隙間には、樹脂等を充填し、隙間をなくせばよい。

・「そのほか」
永久磁石や磁石材料の充填工程における充填を利用して連結部材を組みつけることは必須ではない。

１０…ロータ、２０…コア、２２…第１部分、２２ａ…縁部、２２ｃ…外周、２４…第２部分、２４ａ，２４ｂ…縁部、２４ｃ…外周、３０…永久磁石、３０ａ…磁石材料、３２…凸部、３４…回転軸、４０…連結部材。

Claims (6)

1. 永久磁石がコアに埋め込まれた埋込磁石型ロータであって、
   前記コアは、第１部分と第２部分とを含み、
   少なくとも当該埋込磁石型ロータの径方向外側において前記第１部分の縁部と前記第２部分の縁部とは、隙間を有して互いに対向しており、
   前記永久磁石は、前記隙間に配置されており、
   前記第１部分および前記第２部分の双方と前記永久磁石とに接触する連結部材を備え、
   前記第１部分および前記第２部分は、前記径方向外側における縁部が、当該埋込磁石型ロータの径方向に対して一方向に傾いており、
   前記第１部分は、当該埋込磁石型ロータの回転軸に連結されており、
   前記第２部分のうち前記連結部材に接触する箇所は、前記連結部材に対して当該埋込磁石型ロータの径方向内側に位置する埋込磁石型ロータ。
2. 前記永久磁石は、一対の端部が当該埋込磁石型ロータの径方向外側において互いに異なる前記連結部材に接触するものであり、
   前記第２部分は、前記永久磁石によって前記第１部分および前記回転軸の双方から分離された部分である請求項１記載の埋込磁石型ロータ。
3. 前記連結部材の透磁率は、前記コアの透磁率よりも低い請求項１または２記載の埋込磁石型ロータ。
4. 前記永久磁石がボンド磁石である請求項１〜３のいずれか１項に記載の埋込磁石型ロータ。
5. 前記連結部材の硬度は、前記コアの硬度よりも高い請求項１〜４のいずれか１項に記載の埋込磁石型ロータ。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の埋込磁石型ロータの製造方法において、
   前記コアのうち前記径方向外側に前記連結部材を配置する配置工程と、
   前記配置工程の後、前記第１部分と前記第２部分との間の前記隙間に前記永久磁石または該永久磁石の磁石材料のいずれかを充填する充填工程とを有し、
   前記充填工程において、前記いずれかが前記連結部材に及ぼす力によって、該連結部材を前記第１部分および前記第２部分に押し当てることを特徴とする埋込磁石型ロータの製造方法。