JP2016213980A - 永久磁石形電動機の回転子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】熱硬化性のテープを用いて永久磁石を固定する際に、永久磁石の減磁を抑えながらも、テープを十分に硬化させることができ、安定した性能を得ることができるようにする。
【解決手段】回転子鉄心の表面に永久磁石を配置し、前記永久磁石の表面から熱硬化性のテープを巻き付け、前記テープを加熱硬化させるようにした永久磁石形電動機の回転子の製造方法において、前記テープを加熱硬化させる前に、前記永久磁石の周囲に前記回転子鉄心とは別の磁性部材を配置し、この磁性部材を配置した状態で前記テープを加熱硬化させるようにした。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、永久磁石形電動機の回転子の製造方法に関する。

回転子として、回転子鉄心の表面に永久磁石を配置して構成されるＳＰＭ（Surface Permanent Magnet）形ロータを備えた永久磁石形電動機を製造する場合において、永久磁石の着磁を、回転子の組立後、専用の着磁装置を用いて行う方法が提案されている（特許文献１参照）。しかしながら、着磁率を上げることはかなり難しい。また、専用の着磁装置が必要なため、電動機の生産台数が少ない場合には適用することが難しい。

一方、磁石メーカーにて着磁された着磁済みの永久磁石を用いてＳＰＭ形ロータを製造する場合において、永久磁石を回転子鉄心の外周面に貼り付ける。この場合、電動機の運転時において永久磁石が割れ等によって飛散することを防止するために、テープを巻き付けることが行われている。テープとしては、例えばガラス繊維製のクロスに、熱硬化性の樹脂を含浸させたものであり、そのテープを固定するためには、テープを巻き付けた後で、テープを加熱して樹脂を硬化させる必要がある。

特開２００２−１２４４１４号公報 特開平９−２８５０４９号公報

ところで、永久磁石は、加熱により減磁することが知られている。熱硬化性の前記テープを用いて永久磁石を固定する場合に、永久磁石の減磁を抑えるために加熱温度を低くすると、テープが十分に硬化せずに剥がれやすくなり、磁石の飛散防止の機能を果たせなくなるおそれがある。また、加熱温度が低いために、長時間加熱する必要がある。ちなみに、熱硬化性のテープを十分に硬化させるためには通常１４０℃まで温度を上げる必要があるが、永久磁石の減磁を抑えるために例えば９０℃までしか上げないようにしていた。

そこで、熱硬化性のテープを用いて永久磁石を固定する際に、永久磁石の減磁を抑えながらも、テープを十分に硬化させることができ、安定した性能を得ることができる永久磁石形電動機の回転子の製造方法を提供する。

本実施形態は、回転子鉄心の表面に永久磁石を配置し、前記永久磁石の表面から熱硬化性のテープを巻き付け、前記テープを加熱硬化させるようにした永久磁石形電動機の回転子の製造方法において、前記テープを加熱硬化させる前に、前記永久磁石の周囲に前記回転子鉄心とは別の磁性部材を配置し、この磁性部材を配置した状態で前記テープを加熱硬化させるようにした。

第１実施形態の回転子の製造途中状態を示すもので、（ａ）は永久磁石の表面に巻き付けたテープの外周部に磁性部材を取り付けた状態での正面図、（ｂ）は同状態での平面図 永久磁石の表面にテープを巻き付けていない状態での回転子の外観斜視図 一つのブロック鉄心と、これに複数の永久磁石を取り付けた状態での斜視図 ブロック鉄心に複数の永久磁石を貼り付け、永久磁石の表面にテープを巻き付けた状態での正面図 図４の状態での部分拡大正面図 回転子の製造工程を示す図 テープを加熱硬化させる際の加熱パターンを示す図 パーミアンス係数について説明する図 永久磁石の高温減磁について説明する図 第２実施形態の回転子の製造途中状態を示すもので、（ａ）はブロック鉄心の両端面に磁性部材を取り付けた状態での正面図、（ｂ）は同状態での平面図

以下、複数の実施形態による永久磁石形電動機の回転子の製造方法について、図面を参照しながら説明する。なお、各実施形態において実質的に同一の構成部位には同一の符号を付し、説明を省略する。

（第１実施形態）
第１実施形態について図１から図９を参照して説明する。図２には、永久磁石形モータにおける回転子１の外観が示されており、この回転子１の概略構成について説明する。この回転子１は、ＳＰＭ形ロータと呼ばれるもので、回転軸２の外周部に固定された回転子鉄心３の表面に複数個の永久磁石４が取り付けられている。回転子鉄心３は、この場合、図３に示すブロック鉄心５を軸方向に６個組み合わせて構成されている。各ブロック鉄心５は、磁性体製のけい素鋼板を円板状に打ち抜いたものを複数枚積層して構成されている。各ブロック鉄心５には、中央部に回転軸２を挿入する軸挿入孔６が形成され、外周部に複数個の永久磁石４が接着剤により貼り付けられている。各ブロック鉄心５の外周部には、隣り合った永久磁石４間に位置させて位置決め用の凸部７（図４および図５参照）が設けられている。

図２に示された回転子１は、６個のブロック鉄心５が円周方向に少しずつずらされていて、永久磁石４の軸方向の並び方向が斜めにずれるようにスキューしている。なお、図２においては、回転子鉄心３の軸方向の端面に端板８が配置された形態となっている。また、各ブロック鉄心５における永久磁石４の表面側（外周面側）には、後述するテープは巻き付けられていない状態で示されている。

図４および図５において、各ブロック鉄心５には、永久磁石４の飛散を防止するために、永久磁石４の表面側から熱硬化性のテープ１０が巻き付けられる。このテープ１０は、この場合、ガラス繊維製のクロスに熱硬化性の樹脂である、例えばエポキシ樹脂を含浸させた構成のものである。

次に、回転子１の製造工程について、図６を参照しながら説明する。まず、ブロック鉄心５を製造するために、けい素鋼板から鉄心となる部分を打ち抜き、これらを積層して複数のブロック鉄心５を形成する。次に、各ブロック鉄心５の外周部に、接着剤を用いて永久磁石４を取り付ける。

次に、各ブロック鉄心５における永久磁石４の表面に、図４および図５に示すように前記テープ１０を巻き付ける。この場合、テープ１０の幅寸法は、ブロック鉄心５および永久磁石４の幅寸法と同等に設定されていて、各永久磁石４の表面はテープ１０により覆われた状態となる。そして、このテープ１０を硬化させるためには加熱する必要があるが、そのままの状態で加熱した場合には永久磁石４が高温減磁してしまうおそれがある。

そこで、本実施形態においては、テープ１０を加熱硬化させる前に、図１に示すように、テープ１０の外周部に磁性部材１１を取り付ける。この磁性部材１１は、ブロック鉄心５を取り囲むような帯状のリング状をなすとともに、両端部に固定部１１ａを有している。この磁性部材１１をテープ１０の外周部に巻き付けるように配置するとともに、両端部の固定部１１ａ同士を重ね合わせた状態で、両固定部１１ａを、固定部材であるボルト１２とナット１３で締付けることにより、磁性部材１１をテープ１０の外周部に固定状態に取り付けている。磁性部材１１の材質としては、磁性材であれば、ブロック鉄心５を形成する部材と同じものでも、異なるものでもよい。

この場合、図１（ｂ）に示すように、磁性部材１１の幅寸法Ｗ１は、テープ１０の幅寸法Ｗ２よりも少し狭く設定されていて、テープ１０の外周面の両端部が、磁性部材１１の外側に露出した状態となっている。したがって、テープ１０上における磁性部材１１の面積は、テープ１０の面積より小さくなっている。磁性部材１１には、テープ１０を覆う部分に厚さ方向に貫通する孔部１４が複数個形成されている。

このように磁性部材１１を取り付けた複数個のブロック鉄心５を、図示しない加熱炉に入れて加熱することにより、各ブロック鉄心５のテープ１０を加熱硬化させる。図７には、この場合の加熱パターンが示されている。加熱パターンとしては、エポキシ樹脂の加熱に必要な温度である１４０℃を１時間キープすることを含め、１００℃以上の温度を２．５時間キープする。この加熱後、冷却することで、テープ１０を硬化させる。

ここで、永久磁石のパーミアンス係数と高温減磁について簡単に説明する。図８において、マグネット（永久磁石）における減磁曲線上のマグネットの動作点を表すのにパーミアンス係数Ｐｃが用いられる。この値は、動作点の磁束密度Ｂｄと磁界強度Ｈｄの比として定義され、
パーミアンス係数Ｐｃ＝（動作点磁束密度Ｂｄ／動作点磁界強度Ｈｄ）
で表わされる。

次に永久磁石の高温減磁について図９を参照して簡単に説明する。残留磁束密度（Ｂｒ）の温度係数α：−０．１１％／Ｋの希土類磁石の２０℃および１４０℃の減磁曲線をそれぞれＡ，Ｂで表わす。

（磁石使用時のパーミアンス係数がＰ１の場合）
温度が２０℃では、減磁曲線Ａと直線Ｐ１の交点ａの磁束密度Ｂａで磁石は動作する。また、１４０℃では、減磁曲線Ｂと直線Ｐ１との交点ｂの磁束密度Ｂｂで磁石は動作する。このとき磁石の温度係数αは（−０．１１％／Ｋ）であるので、磁束密度Ｂｂは次式で求められる。
Ｂｂ＝Ｂａ（１−０．００１１×１２０） （ここで、１２０は温度変化分（Δｔ）である。）
そして、温度を２０℃に戻すと、減磁曲線Ａと直線Ｐ１との交点ａに戻り、磁束密度Ｂａで動作する。温度が元に戻れば特性も復元する。これを可逆変化という。

（磁石使用時のパーミアンス係数がＰ２の場合（Ｐ２＜Ｐ１））
温度が２０℃では、減磁曲線Ａと直線Ｐ２との交点ｃの磁束密度Ｂｃで磁石は動作する。また、１４０℃では、減磁曲線Ｂと直線Ｐ２との交点ｄの磁束密度Ｂｄで磁石は動作する。そして、温度を２０℃に戻すと、磁束密度は磁石の温度係数分のみが戻り、Ｂｅで動作する。つまり、減磁曲線Ａと直線Ｐ２との交点ｃには戻らず、（Ｂｃ−Ｂｅ）だけ磁束密度が低下する。このように、高温時において磁石動作点が減磁曲線の屈曲部より下になり、環境を戻しても元の磁束密度が得られないことを「不可逆変化（高温減磁）」という。

本実施形態において、テープ１０を巻き付けたブロック鉄心５を加熱炉で加熱する際に、テープ１０の外周部に磁性部材１１を取り付けておくことで、永久磁石４のパーミアンス係数を、磁性部材１１を取り付けていない場合よりも大きくすることができる。具体的には、図９において、パーミアンス係数の直線を、減磁曲線Ｂの屈曲部より上にすることが可能となる（直線Ｐ１参照）。これにより、ブロック鉄心５を加熱炉で、熱硬化性の樹脂を加熱硬化させるのに十分な温度である１４０℃まで加熱することができ、しかも永久磁石４の減磁を抑えることが可能となる。そして、必要な加熱が終了したら、ブロック鉄心５を加熱炉から取り出して冷却する。これにより、テープ１０を十分に硬化させることができ、品質が安定する。

次に、各ブロック鉄心５の磁性部材１１を取り外す（図６参照）。この後、必要な数のブロック鉄心５の各軸挿入孔６に回転軸２を相対的に圧入するとともに、回転軸２に端板８を取り付けて固定する。この後、バランス調整することで、回転子１の製造が完了する。

本実施形態においては、回転子鉄心３を構成する各ブロック鉄心５の表面に永久磁石４を配置し、その永久磁石４の表面から熱硬化性のテープ１０を巻き付け、そのテープ１０を加熱硬化させる前に、永久磁石４の周囲、本実施形態ではテープ１０の外周部にブロック鉄心５とは別の磁性部材１１を配置し、この磁性部材１１を配置した状態でテープ１０を加熱硬化させるようにした。これにより、永久磁石４の減磁を抑えながらも、熱硬化性のテープ１０を十分に硬化させることができ、品質が安定した回転子１を製造することが可能となる。

磁性部材１１をテープ１０の外周部に配置することで、永久磁石４をそれぞれ磁性部材であるブロック鉄心５と磁性部材１１とで挟む形態となる。これにより、永久磁石４の磁束漏れを極力少なくできて、パーミアンス係数を一層大きくすることが可能になり、永久磁石４の高温減磁を一層抑えることが可能となる。

テープ１０上における磁性部材１１の幅寸法Ｗ１をテープ１０の幅寸法Ｗ２より少し小さく設定することで、磁性部材１１の面積をテープ１０の面積よりも小さく設定している。これによれば、テープ１０を磁性部材１１で一部覆う形態でありながらも、テープ１０に対する加熱効率の低下を極力防止することが可能となる。しかも、磁性部材１１には、厚さ方向に貫通する孔部１４を複数形成しているので、これによってもテープ１０に対する加熱効率の低下を極力防止することが可能となる。

（第２実施形態）
第２実施形態について主に図１０を参照して説明する。テープ１０を加熱硬化させる際に取り付ける磁性部材２１を、ブロック鉄心５を軸方向から挟み込む形態で、当該ブロック鉄心５の軸方向の両端面に配置している。両磁性部材２１は、円板状をなしていて、中央部に設けられた固定部材としてのボルト２２およびナット２３により固定されている。２枚の各磁性部材２１は、直径が永久磁石４を含むブロック鉄心５の直径とほぼ同じとなる円板状をなしている。

したがって、各磁性部材２１は、ブロック鉄心５の端面、および永久磁石４の軸方向の端面を側方から覆う形状をなしているが、永久磁石４の周りに巻き付けたテープ１０の幅方向の端面１０ａは露出させている。各磁性部材２１には、厚さ方向に貫通する円形の孔部２４が複数個形成されている。この場合も、磁性部材２１は、永久磁石４の周囲に配置されている。

本実施形態においても、第１実施形態と同様に、永久磁石４固定用の熱硬化性のテープ１０を加熱硬化させる前に、ブロック鉄心５の軸方向の端面にブロック鉄心５とは別の磁性部材２１を配置し、この磁性部材２１を配置した状態でテープ１０を加熱硬化させるようにする。これにより、第１実施形態と同様に、永久磁石４の減磁を抑えながらも、熱硬化性のテープ１０を十分に硬化させることができ、品質が安定した回転子１を製造することが可能となる。

また、本実施形態においては、テープ１０の外周面および端面１０ａを露出させているので、テープ１０の加熱硬化時において、テープ１０に対する加熱効率の低下を防止できる。

（その他の実施形態）
回転子鉄心３としては、ブロック鉄心５を複数組み合わせた形態に限られず、一つの鉄心で構成するものでもよい。また、永久磁石４をスキュー配置しない構成としてもよい。

以上説明した少なくとも一つの実施形態によれば、永久磁石を固定する熱硬化性のテープを加熱硬化させる際に、永久磁石の周囲に回転子鉄心とは別の磁性部材を配置しておくことで、永久磁石の減磁を抑えながらも、熱硬化性のテープを十分に硬化させることができ、安定した性能を得ることができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

図面中、１は回転子、２は回転軸、３は回転子鉄心、４は永久磁石、５はブロック鉄心、１０はテープ、１０ａは端面、１１は磁性部材、１４は孔部、２１は磁性部材、２４は孔部を示す。

Claims (6)

1. 回転子鉄心の表面に永久磁石を配置し、前記永久磁石の表面から熱硬化性のテープを巻き付け、前記テープを加熱硬化させるようにした永久磁石形電動機の回転子の製造方法において、
   前記テープを加熱硬化させる前に、前記永久磁石の周囲に前記回転子鉄心とは別の磁性部材を配置し、この磁性部材を配置した状態で前記テープを加熱硬化させるようにした永久磁石形電動機の回転子の製造方法。
2. 前記磁性部材は前記テープの外周部に配置する、請求項１記載の永久磁石形電動機の回転子の製造方法。
3. 前記テープ上における前記磁性部材の面積は前記テープの面積より小さい、請求項２記載の永久磁石形電動機の回転子の製造方法。
4. 前記磁性部材は前記回転子鉄心の軸方向の両端面に配置する、請求項１記載の永久磁石形電動機の回転子の製造方法。
5. 前記磁性部材は前記テープの端面を露出させている、請求項４記載の永久磁石形電動機の回転子の製造方法。
6. 前記磁性部材には厚さ方向に貫通する孔部が形成されている、請求項１から５のいずれか一項記載の永久磁石形電動機の回転子の製造方法。

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