JP2021048674A - 磁石埋込型モータおよびその製造方法 - Google Patents

磁石埋込型モータおよびその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】トルクの低下を抑制しつつ、逆起電圧を低減することができる磁石埋込型モータを提供する。【解決手段】本発明の磁石埋込型モータは、ステータと、ステータの内側に回転自在に配置されたロータとを備え、ロータは、複数の金属箔が積層されたロータコアと、ロータコアに周方向に沿って埋設された複数の磁石組とを有し、ロータコアには、１つの磁極毎に、外周部で径方向に延在する一対の径方向磁石用孔が形成され、一対の径方向磁石用孔の中央側端の間に周方向に延在する中央側磁束漏れ防止孔が形成され、一対の径方向磁石用孔と中央側磁束漏れ防止孔とを隔てる中央側ブリッジ部が形成され、一対の径方向磁石用孔に磁石組に含まれる径方向に延在する一対の径方向磁石が埋設され、ロータコアのうち、中央側ブリッジ部、中央部、及び磁極間部は、ナノ結晶系軟磁性材料からなり、それ以外の部分は、アモルファス系軟磁性材料からなることを特徴とする。【選択図】図２

Description

本発明は、コイルが巻回されたステータと、ステータの内側に回転自在に配置されたロータとを備える磁石埋込型モータおよびその製造方法に関する。
従来から、コイルが巻回されたステータと、ステータの内側においてステータに対して回転軸周りに回転自在に設けられたロータとを備えるモータが利用されている。これらのモータのうち、例えば、特許文献１に示されるような磁石埋込型モータ（ＩＰＭ：Interior Permanent Magnet）は、回転シャフトが挿通されたロータコアを備えており、ロータコアには回転軸方向に貫通した磁石用孔が設けられ、磁石用孔に磁石が埋設されている。
特開２０１７−４７８１０号公報
上記のような磁石埋込型モータでは、ロータの回転速度が大きくなるほど逆起電圧が大きくなるのに対し、逆起電圧を低減するために永久磁石の磁束密度を小さくするとトルクが低下してしまう。
本発明は、このような点を鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、トルクの低下を抑制しつつ、逆起電圧を低減することができる磁石埋込型モータおよびその製造方法を提供することにある。
上記課題を解決すべく、本発明の磁石埋込型モータは、ステータと、上記ステータの内側に回転自在に配置されたロータとを備える磁石埋込型モータであって、上記ステータは、ステータコアと、ステータコアに巻回されたコイルとを有し、上記ロータは、複数の金属箔が積層されたロータコアと、上記ロータコアに周方向に沿って埋設された、複数の磁極をそれぞれ構成する複数の磁石組とを有し、上記ロータコアには、１つの磁極毎に、外周部で径方向に延在する一対の径方向磁石用孔が形成され、上記一対の径方向磁石用孔の中央側端の間に周方向に延在する中央側磁束漏れ防止孔が形成され、上記一対の径方向磁石用孔と上記中央側磁束漏れ防止孔とを隔てる中央側ブリッジ部が形成され、上記ロータコアの上記一対の径方向磁石用孔に上記磁石組に含まれる径方向に延在する一対の径方向磁石が埋設され、上記ロータコアのうち、上記中央側ブリッジ部、上記外周部より中央側の中央部、及び周方向に隣接する上記磁極間の磁極間部は、ナノ結晶系軟磁性材料からなり、それ以外の部分は、アモルファス系軟磁性材料からなることを特徴とする。
本発明によれば、トルクの低下を抑制しつつ、逆起電圧を低減することができる。
また、本発明の磁石埋込型モータの製造方法は、ステータと、上記ステータの内側に回転自在に配置されたロータとを備える磁石埋込型モータの製造方法であって、アモルファス系軟磁性材料からなり、上記ロータのロータコアに応じた形状を有する金属箔であって、上記ロータの１つの磁極毎に、外周部で径方向に延在する一対の径方向磁石用孔が形成され、上記一対の径方向磁石用孔の中央側端の間に周方向に延在する中央側磁束漏れ防止孔が形成され、上記一対の径方向磁石用孔と上記中央側磁束漏れ防止孔とを隔てる中央側ブリッジ部が形成された金属箔を準備する準備工程と、上記金属箔のうち、上記中央側ブリッジ部、上記外周部より中央側の中央部、及び上記ロータの周方向に隣接する磁極間の磁極間部以外の部分をアモルファス系軟磁性材料に維持しつつ、上記中央側ブリッジ部、上記中央部、及び上記磁極間部を加熱することで加熱部分をナノ結晶系軟磁性材料に変質させる変質工程と、変質させた上記金属箔を積層し、上記金属箔の積層体の上記一対の径方向磁石用孔に一対の径方向磁石を埋設し、上記ロータを作製するロータ作製工程と、を備えることを特徴とする。
本発明によれば、トルクの低下を抑制しつつ、逆起電圧を低減できる磁石埋込型モータを製造することができる。
本発明によれば、トルクの低下を抑制しつつ、逆起電圧を低減することができる。
実施形態の磁石埋込型モータの一例を示す概略平面図である。 図１に示す磁石埋込型モータの１／８モデルを示す概略拡大平面図である。 図１に示すロータの概略斜視図である。 図１に示す磁石埋込型モータの製造方法の一例における要部の工程を示す概略工程斜視図である。 図１に示す磁石埋込型モータの製造方法の一例における要部の工程を示す概略工程斜視図である。 アモルファス系軟磁性材料及びナノ結晶系軟磁性材料の飽和磁束密度である。 実施例及び比較例１〜４の逆起電圧を示すグラフである。 実施例及び比較例１〜４の最大トルクを示すグラフである。
Ａ．磁石埋込型モータ
以下、本発明の磁石埋込型モータに係る実施形態について説明する。
実施形態の磁石埋込型モータは、ステータと、上記ステータの内側に回転自在に配置されたロータとを備える磁石埋込型モータであって、上記ステータは、ステータコアと、ステータコアに巻回されたコイルとを有し、上記ロータは、複数の金属箔が積層されたロータコアと、上記ロータコアに周方向に沿って埋設された、複数の磁極をそれぞれ構成する複数の磁石組とを有し、上記ロータコアには、１つの磁極毎に、外周部で径方向に延在する一対の径方向磁石用孔が形成され、上記一対の径方向磁石用孔の中央側端の間に周方向に延在する中央側磁束漏れ防止孔が形成され、上記一対の径方向磁石用孔と上記中央側磁束漏れ防止孔とを隔てる中央側ブリッジ部が形成され、上記ロータコアの上記一対の径方向磁石用孔に上記磁石組に含まれる径方向に延在する一対の径方向磁石が埋設され、上記ロータコアのうち、上記中央側ブリッジ部、上記外周部より中央側の中央部、及び周方向に隣接する上記磁極間の磁極間部は、ナノ結晶系軟磁性材料からなり、それ以外の部分は、アモルファス系軟磁性材料からなることを特徴とする。ここで、「周方向」及び「径方向」とは、それぞれロータコアの周方向及び径方向を指す。また、「中央」及び「外周」とは、それぞれ回転軸方向から平面視した場合のロータコアの中央及び外周を指す。
まず、実施形態の磁石埋込型モータの一例について説明する。
ここで、図１は、実施形態の磁石埋込型モータの一例を示す概略平面図であり、図２は、図１に示す磁石埋込型モータの１／８モデルを示す概略拡大平面図である。図３は、図１に示すロータの概略斜視図である。
図１に示すように、本例の磁石埋込型モータ１は、ステータ２と、ステータ２の内側に回転自在に配置されたロータ３とを備えている。
ステータ２は、ステータコア２０と、ステータコア２０に巻回された複数のコイル２２とを有している。ステータコア２０では、アモルファス系軟磁性材料からなる複数の円環状の金属箔４０（回転軸方向の端にある金属箔４０のみ図示）が回転軸方向に積層されている。コイル２２は、集中巻または分布巻などによりステータコア２０の内周側で等間隔に配置され、コイル２２が通電されるとロータ３を回転させるための回転磁界が生じる。
ロータ３は、ロータコア３０と、ロータコア３０の中央に形成された軸孔３１に挿通された回転シャフト４と、ロータコア３０に周方向θに沿って４５°毎に埋設された８つの磁石組１０とを有している。ロータコア３０では、複数の円形状の金属箔６０が回転軸方向に積層されている。回転シャフト４は、金属製であり、ロータコア３０の軸孔３１に挿通された状態で、かしめ等（図示せず）によりロータコア３０に固定されている。１つの磁石組１０は、一対の径方向磁石５Ｌ、５Ｒと、周方向磁石５Ｐとを含んでいる。ロータ３では、８つの磁極３Ｐが８つの磁石組１０からそれぞれ構成されている。
図２に示すように、磁石組１０のうち、周方向磁石５Ｐのステータ２に隣接する側がＮ極、その反対側がＳ極である。そして、一対の径方向磁石５Ｌ、５Ｒは、周方向磁石５Ｐとの間で極性が互いに逆になるようにそれぞれ配置されている。すなわち、一対の径方向磁石５Ｌ、５Ｒは、周方向磁石５ＰのＮ極よりもＳ極に近いため、その周方向磁石５Ｐに隣接する側がＮ極になっている。また、ロータコア３０の周方向θに隣接する磁極３Ｐの磁石組１０どうしは、図示しないが、一対の径方向磁石５Ｌ、５Ｒ及び周方向磁石５ＰのＮ極及びＳ極が反対になっている。
ロータコア３０には、１つの磁極３Ｐ毎に、ステータ２に向かって磁石の磁束を流す外周部３０Ｐで径方向Ｒに延在する一対の径方向磁石用孔３２Ｌ、３２Ｒが回転軸方向に貫通するように形成されており、一対の径方向磁石用孔３２Ｌ、３２Ｒの中央側端の間に周方向θに延在する中央側磁束漏れ防止孔３４Ｍが回転軸方向に貫通するように形成されている。さらに、ロータコア３０には、一対の径方向磁石用孔３２Ｌ、３２Ｒと中央側磁束漏れ防止孔３４Ｍとを隔てる中央側ブリッジ部３６ＭＬ、３６ＭＲが形成されている。
さらに、ロータコア３０には、１つの磁極３Ｐ毎に、一対の径方向磁石用孔３２Ｌ、３２Ｒの外周側端の間に周方向θに延在する周方向磁石用孔３２Ｐが回転軸方向に貫通するように形成されている。また、外周面３０Ｓと周方向磁石用孔３２Ｐの周方向θの両端との間に外周側磁束漏れ防止孔３４Ｌ、３４Ｒが回転軸方向に貫通するように形成されている。さらに、ロータコア３０には、周方向磁石用孔３２Ｐと外周側磁束漏れ防止孔３４Ｌ、３４Ｒとを隔てる外周側ブリッジ部３６ＰＬ、３６ＰＲが形成されており、一対の径方向磁石用孔３２Ｌ、３２Ｒ及び外周側磁束漏れ防止孔３４Ｌ、３４Ｒと、外周面３０Ｓとの間を隔てる外周側ブリッジ部３６Ｓ１〜３６Ｓ４が形成されている。
ロータコア３０では、１つの磁極３Ｐ毎に、一対の径方向磁石用孔３２Ｌ、３２Ｒに径方向Ｒに延在する一対の径方向磁石５Ｌ、５Ｒが埋設されており、周方向磁石用孔３２Ｐに周方向θに延在する周方向磁石５Ｐが埋設されている。また、一対の径方向磁石用孔３２Ｌ、３２Ｒ内における一対の径方向磁石５Ｌ、５Ｒの径方向の両端側の隙間に樹脂１１が充填されており、周方向磁石用孔３２Ｐ内における周方向磁石５Ｐの周方向の両端側の隙間に樹脂１１が充填されている。
ロータコア３０のうち、中央側ブリッジ部３６ＭＬ、３６ＭＲ、外周部３０Ｐより中央側の中央部３０Ｃ、及び周方向θに隣接する磁極３Ｐ間の磁極間部３０Ｂは、ナノ結晶系軟磁性材料からなり、それ以外の部分は、アモルファス系軟磁性材料からなる。
ナノ結晶系軟磁性材料の飽和磁化は、アモルファス系軟磁性材料のものよりも高い。このため、ロータコア３０のうちの中央側ブリッジ部３６ＭＬ、３６ＭＲがナノ結晶系軟磁性材料からなることにより、一対の径方向磁石５Ｌ、５Ｒにより生じる磁束が中央側ブリッジ部３６ＭＬ、３６ＭＲを介して中央側磁束漏れ防止孔３４Ｍより中央側に流れ易くなる。これにより、一対の径方向磁石５Ｌ、５Ｒ及び周方向磁石５Ｐにより生じる磁束のうち磁石トルクに寄与する磁束が減少するものの、その磁束に起因してステータ側のコイルで生じる逆起電圧は減少する。一方、ロータコア３０のうちの中央部３０Ｃ及び磁極間部３０Ｂが、ナノ結晶系軟磁性材料からなることにより、リラクタンストルクに寄与する磁束が増大する。
従って、本例の磁石埋込型モータ１では、トルクの低下を抑制しつつ、逆起電圧を低減することができる。よって、弱め界磁制御を行うためにステータ２のコイル２２に印加する電流を低減できるのでモータ１の効率を向上することができ、モータ１の高速回転時の逆起電圧の増加を抑制できるのでモータ１の出力を向上することができる。
続いて、本実施形態の磁石埋込型モータについて、各構成を詳細に説明する。
１．ロータ
上記ロータは、複数の金属箔が積層されたロータコアと、上記ロータコアに周方向に沿って埋設された、複数の磁極をそれぞれ構成する複数の磁石組とを有している。
上記ロータコアには、１つの磁極毎に、外周部で径方向に延在する一対の径方向磁石用孔が形成され、上記一対の径方向磁石用孔の中央側端の間に周方向に延在する中央側磁束漏れ防止孔が形成され、上記一対の径方向磁石用孔と上記中央側磁束漏れ防止孔とを隔てる中央側ブリッジ部が形成されている。上記ロータコアの上記一対の径方向磁石用孔に上記磁石組に含まれる径方向に延在する一対の径方向磁石が埋設されている。上記ロータコアのうち、上記中央側ブリッジ部、上記外周部より中央側の中央部、及び周方向に隣接する上記磁極間の磁極間部は、ナノ結晶系軟磁性材料からなり、それ以外の部分は、アモルファス系軟磁性材料からなる。
ここで、「外周部」とは、図２に示す外周部３０Ｐのように、ロータコアにおけるステータに向かって磁石の磁束を流す外周側の領域を指す。また、「中央部」とは、図２に示す中央部３０Ｃのように、ロータコアにおける外周部より中央側の領域を指す。さらに、「磁極間部」とは、図２に示す磁極間部３０Ｂのように、ロータコアにおける周方向に隣接する磁極間の領域を指し、具体的には、周方向に隣接する磁極の径方向磁石の間の領域を指す。磁極間部としては、特に限定されないが、図２に示す磁極間部３０Ｂのように、ロータコアの中央部から外周面まで連続する領域が好ましい。
金属箔の厚みは、例えば、０．０１ｍｍ〜０．０５ｍｍの範囲内が好ましい。この範囲の上限以下にすることにより、モータ使用時の損失を抑制できるからである。金属箔におけるロータコアの中央側ブリッジ部、中央部、及び磁極間部を構成する部分は、ナノ結晶系軟磁性材料からなり、それ以外の部分は、アモルファス系軟磁性材料からなる。
アモルファス系軟磁性材料又はナノ結晶系軟磁性材料としては、例えば、Ｆｅ、Ｃｏ及びＮｉからなる群から選択される少なくとも１種の磁性金属と、Ｂ、Ｃ、Ｐ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ及びＷからなる群から選択される少なくとも１種の非磁性金属とから構成されるものが挙げられるが、これらに限定されるものではない。
アモルファス系軟磁性材料又はナノ結晶系軟磁性材料の代表的な材料として、例えば、ＦｅＣｏ系合金（例えばＦｅＣｏ、ＦｅＣｏＶなど）、ＦｅＮｉ系合金（例えばＦｅＮｉ、ＦｅＮｉＭｏ、ＦｅＮｉＣｒ、ＦｅＮｉＳｉなど）、ＦｅＡｌ系合金又はＦｅＳｉ系合金（例えばＦｅＡｌ、ＦｅＡｌＳｉ、ＦｅＡｌＳｉＣｒ、ＦｅＡｌＳｉＴｉＲｕ、ＦｅＡｌＯなど）、ＦｅＴａ系合金（例えばＦｅＴａ、ＦｅＴａＣ、ＦｅＴａＮなど）、及びＦｅＺｒ系合金（例えばＦｅＺｒＮなど）を挙げることができるが、これらに限定されるものではない。Ｆｅ系合金の場合にはＦｅは８０ａｔ％以上含まれることが好ましい。
また、アモルファス系軟磁性材料又はナノ結晶系軟磁性材料の他の材料として、例えば、Ｃｏと、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｔｉ及びＹのうち少なくとも１種とを含有するＣｏ合金を用いることができる。Ｃｏ合金中Ｃｏは８０ａｔ％以上含まれることが好ましい。このようなＣｏ合金は、製膜した場合にアモルファスとなり易く、結晶磁気異方性、結晶欠陥及び粒界が少ないため、非常に優れた軟磁性を示す。好適なアモルファス系軟磁性材料としては、例えばＣｏＺｒ、ＣｏＺｒＮｂ、及びＣｏＺｒＴａ系合金などを挙げることができる。
本明細書でいうアモルファス系軟磁性材料は、主構造としてアモルファス構造を有する軟磁性材料である。アモルファス構造の場合には、Ｘ線回折パターンには明瞭なピークは見られず、ブロードなハローパターンのみが観測される。一方、アモルファス構造に熱処理を加えることでナノ結晶構造を形成することができるが、ナノ結晶構造を有するナノ結晶系軟磁性材料では、結晶面の格子間隔に対応する位置に回折ピークが観測される。その回折ピークの幅からＳｃｈｅｒｒｅｒの式を用いて結晶子径を算出することができる。
本明細書でいうナノ結晶系軟磁性材料では、ナノ結晶とは、Ｘ線回折の回折ピークの半値幅からＳｃｈｅｒｒｅｒの式で算出される結晶子径が１μｍ未満のものをいう。本実施形態において、ナノ結晶の結晶子径（Ｘ線回折の回折ピークの半値幅からＳｃｈｅｒｒｅｒの式で算出される結晶子径）は、好ましくは１００ｎｍ以下であり、より好ましくは５０ｎｍ以下である。また、ナノ結晶の結晶子径は、好ましくは５ｎｍ以上である。ナノ結晶の結晶子径がこのような大きさであることで、軟磁気特性の向上が見られる。なお、従来の電磁鋼板の結晶子径は、μｍオーダーであり、一般的には、５０μｍ以上である。
ここで、後述する実施例からも明らかなように、ナノ結晶系軟磁性材料の飽和磁化は、アモルファス系軟磁性材料のものよりも高い。
複数の磁石組は、通常、図２に示す８つの磁石組１０のように、ロータコア３０に周方向θに沿って等間隔に埋設されている。
ロータコアには、通常、図２に示すロータコア３０のように、１つの磁極毎に、一対の径方向磁石用孔の外周側端の間に周方向に延在する周方向磁石用孔が形成されている。磁石組は、通常、図２に示す磁石組１０のように、一対の径方向磁石の他に、周方向磁石用孔に埋設された周方向に延在する周方向磁石を含む。なお、磁石は永久磁石である。また、磁石の形状は、特に限定されないが、例えば、図１に示す一対の径方向磁石５Ｌ、５Ｒ及び周方向磁石５Ｐのように、平面形状が長辺と短辺とを有する矩形状であり、側面形状が長辺と短辺とを有する矩形状である直方体である。
磁石としては、例えば、ネオジムと鉄とホウ素を主成分とするネオジム磁石やサマリウムとコバルトを主成分とするサマリウムコバルト磁石等の希土類磁石の他、フェライト磁石、アルニコ磁石等が挙げられる。
ロータコアとしては、外周面と周方向磁石用孔の周方向の両端との間に外周側磁束漏れ防止孔が形成されたものが好ましい。中でも、図２に示すロータコア３０のように、周方向磁石用孔と外周側磁束漏れ防止孔とを隔てる外周側ブリッジ部及び外周側磁束漏れ防止孔と外周面との間を隔てる外周側ブリッジ部が形成されたものが好ましい。また、ロータコアとしては、図２に示すロータコア３０のように、一対の径方向磁石用孔と外周面との間を隔てる外周側ブリッジ部が形成されたものが好ましい。
ロータでは、図２に示すロータ３のように、径方向磁石用孔内における径方向磁石の径方向の両端側の隙間に樹脂が充填されていてもよい。同様に、周方向磁石用孔内における周方向磁石の周方向の両端側の隙間に樹脂が充填されていてもよい。樹脂としては、例えば、成形性と耐熱性に優れた熱硬化性樹脂等が挙げられる。この熱硬化性樹脂としては、例えば、エポキシ系樹脂、ポリイミド系樹脂等が挙げられる。
ロータでは、ロータコアの金属箔間に耐熱性樹脂等の接着層が配置されていてもよいが、金属箔の積層状態を維持することができるのであれば、接着層が配置されていなくてもよい。耐熱性樹脂としては、例えば、熱硬化性樹脂等が挙げられる。この熱硬化性樹脂としては、例えば、エポキシ系樹脂、ポリイミド系樹脂、ポリアミドイミド系樹脂、又はアクリル系樹脂等が挙げられる。
２．ステータ
上記ステータは、ステータコアと、ステータコアに巻回されたコイルとを有している。
ステータコアは、磁性材料からなるものであれば特に限定されないが、図１に示すステータ２のように、複数の軟磁性材料からなる金属板が積層されたもの等が挙げられる。軟磁性材料からなる金属板は、特に限定されないが、例えば、電磁鋼板、アモルファス系軟磁性材料からなる金属箔、ナノ結晶系軟磁性材料からなる金属箔等が挙げられる。電磁鋼板の厚みは、例えば、０．１ｍｍ〜０．５ｍｍの範囲内である。金属箔の厚み並びにアモルファス系軟磁性材料及びナノ結晶系軟磁性材料については、上記「１．ロータ」で説明した内容と同様である。
コイルは、通電されるとロータを回転させるための回転磁界を生じさせるものであれば特に限定されず、図１に示すコイル２２のように、分布巻によりステータコアの内周側で等間隔に配置されたものでもよいし、集中巻によりステータコアの内周側で等間隔に配置されたものでもよい。
３．磁石埋込型モータ
磁石埋込型モータは、例えば、ハイブリッド自動車や電気自動車の駆動源として用いられたものである。
Ｂ．磁石埋込型モータの製造方法
以下、本発明の磁石埋込型モータの製造方法に係る実施形態について説明する。
実施形態の磁石埋込型モータの製造方法は、ステータと、上記ステータの内側に回転自在に配置されたロータとを備える磁石埋込型モータの製造方法であって、アモルファス系軟磁性材料からなり、上記ロータのロータコアに応じた形状を有する金属箔であって、上記ロータの１つの磁極毎に、外周部で径方向に延在する一対の径方向磁石用孔が形成され、上記一対の径方向磁石用孔の中央側端の間に周方向に延在する中央側磁束漏れ防止孔が形成され、上記一対の径方向磁石用孔と上記中央側磁束漏れ防止孔とを隔てる中央側ブリッジ部が形成された金属箔を準備する準備工程と、上記金属箔のうち、上記中央側ブリッジ部、上記外周部より中央側の中央部、及び上記ロータの周方向に隣接する磁極間の磁極間部以外の部分をアモルファス系軟磁性材料に維持しつつ、上記中央側ブリッジ部、上記中央部、及び上記磁極間部を加熱することで加熱部分をナノ結晶系軟磁性材料に変質させる変質工程と、変質させた上記金属箔を積層し、上記金属箔の積層体の上記一対の径方向磁石用孔に一対の径方向磁石を埋設し、上記ロータを作製するロータ作製工程と、を備えることを特徴とする。ここで、「周方向」及び「径方向」とは、それぞれ金属箔の周方向及び径方向を指す。また、「中央」及び「外周」とは、それぞれ平面視した場合の金属箔の中央及び外周を指す。
まず、実施形態の磁石埋込型モータの製造方法の一例として、図１に示す磁石埋込型モータ１の製造方法の一例を説明する。ここで、図４Ａ及び図４Ｂは、図１に示す磁石埋込型モータの製造方法の一例における要部の工程を示す概略工程斜視図である。
本例の磁石埋込型モータの製造方法では、まず、図１に示すロータ３のロータコア３０を構成する金属箔６０（図４Ａに図示）を準備する（準備工程）。
金属箔６０は、アモルファス系軟磁性材料からなり、図１に示すロータコア３０に応じた形状を有するものである。具体的には、図４Ａに示すように、金属箔６０には、図１〜図３に示す一対の径方向磁石用孔３２Ｌ、３２Ｒ、中央側磁束漏れ防止孔３４Ｍ、及び中央側ブリッジ部３６ＭＬ、３６ＭＲに応じた形状を有している一対の径方向磁石用孔６２Ｌ、６２Ｒ、中央側磁束漏れ防止孔６４Ｍ、及び中央側ブリッジ部６６ＭＬ、６６ＭＲが形成されている。また、図１〜図３に示す周方向磁石用孔３２Ｐ、外周側磁束漏れ防止孔３４Ｌ、３４Ｒ、及び外周側ブリッジ部３６ＰＬ、３６ＰＲに応じた形状を有している周方向磁石用孔６２Ｐ、外周側磁束漏れ防止孔６４Ｌ、６４Ｒ、及び外周側ブリッジ部６６ＰＬ、６６ＰＲが形成されており、図１〜図３に示す外周側ブリッジ部３６Ｓ１〜３６Ｓ４に応じた形状を有している外周側ブリッジ部６６Ｓ１〜６６Ｓ４が形成されている。さらに、金属箔６０は、図１〜図３に示す軸孔３１、外周面３０Ｓ、外周部３０Ｐ、中央部３０Ｃ、及び磁極間部３０Ｂに応じた形状を有している軸孔６１、外周面６０Ｓ、外周部６０Ｐ、中央部６０Ｃ、及び磁極間部６０Ｂを有している。
次に、金属箔６０のうち、中央側ブリッジ部６６ＭＬ、６６ＭＲ、中央部６０Ｃ、及び磁極間部６０Ｂ以外の部分をアモルファス系軟磁性材料に維持しつつ、中央側ブリッジ部６６ＭＬ、６６ＭＲ、中央部６０Ｃ、及び磁極間部６０Ｂを加熱することで加熱部分をアモルファス系軟磁性材料からナノ結晶系軟磁性材料に変質させる（変質工程）。
具体的には、図４Ａに示すように、ヒータ（図示せず）が付いた４１５℃の加熱ブロック１１０Ａ、１２０Ａ、及び冷媒（図示せず）が流れる０℃の冷却ブロック１１０Ｂ、１２０Ｂを有する一対の金型１１０、１２０で金属箔６０を挟み込むことで、一対の冷却ブロック１１０Ｂ、１２０Ｂに中央側ブリッジ部６６ＭＬ、６６ＭＲ、中央部３０Ｃ、及び磁極間部３０Ｂ以外の部分を接触させるのと同時に、一対の加熱ブロック１１０Ａ、１２０Ａに中央側ブリッジ部６６ＭＬ、６６ＭＲ、中央部３０Ｃ、及び磁極間部３０Ｂを接触させる。そして、その状態で５秒間維持する。これにより、中央側ブリッジ部６６ＭＬ、６６ＭＲ、中央部３０Ｃ、及び磁極間部３０Ｂ以外の部分を、冷却ブロック１１０Ｂ、１２０Ｂにより加熱の影響を抑制することで、アモルファス系軟磁性材料に維持しつつ、中央側ブリッジ部６６ＭＬ、６６ＭＲ、中央部３０Ｃ、及び磁極間部３０Ｂを、結晶化温度以上の温度に加熱し、結晶化温度以上の温度に５秒間維持することで、ナノ結晶系軟磁性材料に変質させることができる。
次に、図４Ｂに示すように、複数の金属箔６０を一対の径方向磁石用孔６２Ｌ、６２Ｒ及び周方向磁石用孔６２Ｐの面内方向の位置が互いに一致するように厚さ方向に積層する。これにより、複数の金属箔６０の積層体（ロータコア）３０が作製され、その際には積層体３０の一対の径方向磁石用孔３２Ｌ、３２Ｒ及び周方向磁石用孔３２Ｐが形成される。続いて、積層体３０の一対の径方向磁石用孔３２Ｌ、３２Ｒ及び周方向磁石用孔３２Ｐに一対の径方向磁石５Ｌ、５Ｒ及び周方向磁石５Ｐをそれぞれ埋設する。具体的には、磁石用孔６２Ｌ、６２Ｒ、６２Ｐに磁石５Ｌ、５Ｒ、５Ｐを挿入した後に、磁石用孔６２Ｌ、６２Ｒ、６２Ｐを樹脂で封止する。さらに、ロータコア３０の中央に形成された軸孔３１に回転シャフトを挿通する。これにより、図１〜３に示すロータ３を作製する（ロータ作製工程）。
次に、ロータ３を図１に示すステータ２と組わせることにより、図１に示す磁石埋込型モータ１を製造する。
本例の製造方法で製造される磁石埋込型モータ１では、ロータコア３０のうちの中央側ブリッジ部３６ＭＬ、３６ＭＲがナノ結晶系軟磁性材料からなる。このため、ナノ結晶系軟磁性材料の飽和磁化がアモルファス系軟磁性材料のものよりも高いことで、一対の径方向磁石５Ｌ、５Ｒにより生じる磁束が中央側ブリッジ部３６ＭＬ、３６ＭＲを介して中央側磁束漏れ防止孔３４Ｍより中央側に流れ易くなる。これにより、一対の径方向磁石５Ｌ、５Ｒ及び周方向磁石５Ｐにより生じる磁束のうち磁石トルクに寄与する磁束が減少するものの、その磁束に起因してステータ側のコイルで生じる逆起電圧は減少する。一方、ロータコア３０のうちの中央部３０Ｃ及び磁極間部３０Ｂが、ナノ結晶系軟磁性材料からなることにより、リラクタンストルクに寄与する磁束が増大する。
従って、本例の磁石埋込型モータの製造方法では、トルクの低下を抑制しつつ、逆起電圧を低減できる磁石埋込型モータ１を高い生産性で製造することができる。
続いて、本実施形態の磁石埋込型モータの製造方法について、各工程の条件を中心として詳細に説明する。
１．準備工程
準備工程においては、アモルファス系軟磁性材料からなり、上記ロータのロータコアに応じた形状を有する金属箔であって、上記ロータの１つの磁極毎に、外周部で径方向に延在する一対の径方向磁石用孔が形成され、上記一対の径方向磁石用孔の中央側端の間に周方向に延在する中央側磁束漏れ防止孔が形成され、上記一対の径方向磁石用孔と上記中央側磁束漏れ防止孔とを隔てる中央側ブリッジ部が形成された金属箔を準備する。
金属箔は、ロータの１つの磁極毎に、一対の径方向磁石用孔、中央側磁束漏れ防止孔、及び中央側ブリッジ部が形成されたものであれば特に限定されないが、通常、図４Ａに示す金属箔６０のように、１つの磁極毎に、一対の径方向磁石用孔の外周側端の間に周方向に延在する周方向磁石用孔が形成されたものである。金属箔としては、外周面と周方向磁石用孔の周方向の両端との間に外周側磁束漏れ防止孔が形成されたものが好ましい。中でも、図４Ａに示す金属箔６０のように、周方向磁石用孔と外周側磁束漏れ防止孔とを隔てる外周側ブリッジ部及び外周側磁束漏れ防止孔と外周面との間を隔てる外周側ブリッジ部が形成されたものが好ましい。また、金属箔としては、図４Ａに示す金属箔６０のように、一対の径方向磁石用孔と外周面との間を隔てる外周側ブリッジ部が形成されたものが好ましい。
金属箔は、例えば、回転する冷却ロールに金属原料の溶湯を吹きつけることで急冷することによりアモルファス系軟磁性材料からなる帯状の金属薄帯を作製した後に、例えば、プレス成形により、金属薄帯をロータコアに応じた形状に成形することにより得ることができる。
溶湯は、例えば、上記「Ａ．磁石埋込型モータ １．ロータ」で説明した組成となるように配合された金属原料を高周波溶解炉等により高温で溶融して均一な溶湯として得ることができる。急冷速度は、材料にもよるが、例えば約１０６℃／ｓｅｃであり、結晶化する前にアモルファス構造を得ることができれば特に限定されない。
２．変質工程
変質工程においては、上記金属箔のうち、上記中央側ブリッジ部、上記外周部より中央側の中央部、及び上記ロータの周方向に隣接する磁極間の磁極間部以外の部分をアモルファス系軟磁性材料に維持しつつ、上記中央側ブリッジ部、上記中央部、及び上記磁極間部を加熱することで加熱部分をナノ結晶系軟磁性材料に変質させる。
金属箔の熱処理の方法は、中央側ブリッジ部、中央部、及び磁極間部以外の部分をアモルファス系軟磁性材料に維持しつつ、中央側ブリッジ部、中央部、及び磁極間部をナノ結晶系軟磁性材料に変質させる方法であれば特に限定されないが、例えば、中央側ブリッジ部、中央部、及び磁極間部以外の部分を結晶化温度未満に維持しつつ、中央側ブリッジ部、中央部、及び磁極間部を結晶化温度以上に加熱し、結晶化温度以上の温度に所定時間維持する方法等が挙げられる。このような方法としては、具体的には、例えば、図４Ａに示す方法のように、加熱ブロック及び冷却ブロックを有する一対の金型に金属箔を挟み込むことで、一対の冷却ブロックに中央側ブリッジ部、中央部、及び磁極間部以外の部分を接触させるのと同時に、一対の加熱ブロックに中央側ブリッジ部、中央部、及び磁極間部を接触させ、その状態で所定時間維持する方法等が挙げられる。
結晶化温度は、アモルファス系軟磁性材料の結晶化が生じる温度である。結晶化の際には発熱反応が起きるため、結晶化温度は、アモルファス系軟磁性材料の加熱過程において、結晶化に伴い発熱する温度を測定することで決定することができる。例えば、示差走査熱量測定（ＤＳＣ）を用い、所定の加熱速度（例えば、０．６７Ｋｓ−１）の条件下で結晶化温度を測定することができる。結晶化温度は、材質及び加熱速度によって異なるが、例えば、３００℃〜５００℃の範囲内である。また、同様に、ナノ結晶系軟磁性材料の結晶化温度も、示差走査熱量測定（ＤＳＣ）により測定することができる。ナノ結晶系軟磁性材料では、既に結晶が生じているが、結晶化温度以上に加熱することによりさらなる結晶化が生じる。ナノ結晶系軟磁性材料の結晶化温度は、材質及び加熱速度によって異なるが、例えば、３００℃〜５００℃の範囲内である。
中央側ブリッジ部、中央部、及び磁極間部の加熱温度は、結晶化温度以上であれば特に限定されず、金属箔の組成や発現させたい磁気特性等を考慮して適宜選択されるものであるが、例えば、３５０℃以上６００℃以下の範囲内が好ましく、中でも４００℃以上５２０℃以下の範囲内が好ましい。加熱温度をこれらの範囲の下限以上にすることにより、効率的に結晶化を進めることができるからである。また、加熱温度をこれらの範囲の上限以下にすることにより、過度の結晶化を防ぎ易くなり、副生成物（例えば、Ｆｅ２Ｂなど）の発生を抑制することができるからである。
中央側ブリッジ部、中央部、及び磁極間部の加熱時間は、加熱部分をナノ結晶系軟磁性材料に変質させることができれば特に限定されないが、例えば、１秒以上１０分以下の範囲内が好ましく、中でも１秒以上５分以下の範囲内が好ましい。なお、金属箔の熱処理を行う雰囲気は、特に限定されないが、例えば、不活性ガス雰囲気等が好ましい。
なお、中央側ブリッジ部、中央部、及び磁極間部以外の部分は、アモルファス系軟磁性材料に維持されていればよく、中央側ブリッジ部、中央部、及び磁極間部が加熱される際の中央側ブリッジ部、中央部、及び磁極間部以外の部分の温度は、例えば、０℃〜２００℃の範囲内であり、２０℃〜１５０℃の範囲内が好ましい。
３．ロータ作製工程
ロータ作製工程においては、変質させた上記金属箔を積層し、上記金属箔の積層体の上記一対の径方向磁石用孔に一対の径方向磁石を埋設し、上記ロータを作製する。
金属箔を積層し、積層体を作製する際には、接着層を介して金属箔同士を接合してもよい。接着層については、上記「Ａ．磁石埋込型モータ １．ロータ」で説明した内容と同様である。
積層体における金属箔の積層枚数は、特に限定されないが、例えば、モータで所望のトルクが得られることを目的として適宜定めることができる。また、ロータ作製工程では、通常、積層体をかしめや溶接により結束する。
ロータ作製工程は、金属箔の積層体の一対の径方向磁石用孔に一対の径方向磁石を埋設するのであれば特に限定されないが、通常、一対の径方向磁石用孔及び周方向磁石用孔に一対の径方向磁石及び周方向磁石をそれぞれ埋設する。
また、ロータ作製工程では、通常、磁石用孔に磁石を挿入した後に、磁石用孔を樹脂で封止することにより、磁石用孔に磁石を埋設する。樹脂については、上記「Ａ．磁石埋込型モータ １．ロータ」で説明した内容と同様である。
以下、実施例及び比較例を挙げて、本発明の磁石埋込型モータ及びその製造方法に係る実施形態をさらに具体的に説明する。
［実施例］
図１〜３に示す磁石埋込型モータの解析モデルを作製した。下記表１に示すように、ロータコアのうち、中央側ブリッジ部３６ＭＬ、３６ＭＲ、中央部３０Ｃ、及び磁極間部３０Ｂに、ナノ結晶系軟磁性材料の物性値を付与し、それ以外の部分にアモルファス系軟磁性材料の物性値を付与した。ステータコアには、全体にアモルファス系軟磁性材料の物性値を付与した。なお、解析モデルに使用するアモルファス系軟磁性材料およびナノ結晶系軟磁性材料の物性値は、予め測定した物性値である。図５は、アモルファス系軟磁性材料及びナノ結晶系軟磁性材料の飽和磁束密度である。
［比較例１］
下記表１に示すように、ロータコアの全体にアモルファス系軟磁性材料の物性値を付与した点を除き、実施例と同様の解析モデルを作製した。
［比較例２］
下記表１に示すように、ロータコアのうち、外周側ブリッジ部３６ＰＬ、３６ＰＲ、３６Ｓ１〜３６Ｓ４、及び中央側ブリッジ部３６ＭＬ、３６ＭＲに、ナノ結晶系軟磁性材料の物性値を付与し、それ以外の部分にアモルファス系軟磁性材料の物性値を付与した点を除き、実施例と同様の解析モデルを作製した。
［比較例３］
下記表１に示すように、ロータコアのうち、中央側ブリッジ部３６ＭＬ、３６ＭＲに、ナノ結晶系軟磁性材料の物性値を付与し、それ以外の部分にアモルファス系軟磁性材料の物性値を付与した点を除き、実施例と同様の解析モデルを作製した。
［比較例４］
下記表１に示すように、ロータコアのうち、中央側ブリッジ部３６ＭＬ、３６ＭＲ、及び中央部３０Ｃに、ナノ結晶系軟磁性材料の物性値を付与し、それ以外の部分にアモルファス系軟磁性材料の物性値を付与した点を除き、実施例と同様の解析モデルを作製した。
Figure 2021048674
［逆起電圧及び最大トルクの評価］
実施例及び比較例１〜４の解析モデルを用いて、逆起電圧及びモータのトルク（最大トルク）を計算した。図６は、実施例及び比較例１〜４の逆起電圧を示すグラフであり、図７は、実施例及び比較例１〜４の最大トルクを示すグラフである。
図６及び図７に示されるように、実施例は、従来例の比較例１に対して、トルクの低下を抑制しつつ、逆起電力を低減できた。
以上、本発明に係る実施形態について詳述したが、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。
１ 磁石埋込型モータ
２ ステータ
２０ ステータコア
４０ 金属箔
２２ コイル
３ ロータ
３０ ロータコア
３０Ｐ 外周部
３０Ｃ 中央部
３０Ｂ 磁極間部
６０ 金属箔
１０ 磁石組
５Ｌ、５Ｒ 径方向磁石
５Ｐ 周方向磁石
３Ｐ 磁極
３２Ｌ、３２Ｒ 一対の径方向磁石用孔
３２Ｐ 周方向磁石用孔
３４Ｍ 中央側磁束漏れ防止孔
３４Ｌ、３４Ｒ 外周側磁束漏れ防止孔
３６ＭＬ、３６ＭＲ 中央側ブリッジ部
３６ＰＬ、３６ＰＲ 外周側ブリッジ部
３６Ｓ１〜３６Ｓ４ 外周側ブリッジ部

Claims (2)

  1. ステータと、前記ステータの内側に回転自在に配置されたロータとを備える磁石埋込型モータであって、
    前記ステータは、ステータコアと、ステータコアに巻回されたコイルとを有し、
    前記ロータは、複数の金属箔が積層されたロータコアと、前記ロータコアに周方向に沿って埋設された、複数の磁極をそれぞれ構成する複数の磁石組とを有し、
    前記ロータコアには、１つの磁極毎に、外周部で径方向に延在する一対の径方向磁石用孔が形成され、前記一対の径方向磁石用孔の中央側端の間に周方向に延在する中央側磁束漏れ防止孔が形成され、前記一対の径方向磁石用孔と前記中央側磁束漏れ防止孔とを隔てる中央側ブリッジ部が形成され、
    前記ロータコアの前記一対の径方向磁石用孔に前記磁石組に含まれる径方向に延在する一対の径方向磁石が埋設され、
    前記ロータコアのうち、前記中央側ブリッジ部、前記外周部より中央側の中央部、及び周方向に隣接する前記磁極間の磁極間部は、ナノ結晶系軟磁性材料からなり、それ以外の部分は、アモルファス系軟磁性材料からなることを特徴とする磁石埋込型モータ。
  2. ステータと、前記ステータの内側に回転自在に配置されたロータとを備える磁石埋込型モータの製造方法であって、
    アモルファス系軟磁性材料からなり、前記ロータのロータコアに応じた形状を有する金属箔であって、前記ロータの１つの磁極毎に、外周部で径方向に延在する一対の径方向磁石用孔が形成され、前記一対の径方向磁石用孔の中央側端の間に周方向に延在する中央側磁束漏れ防止孔が形成され、前記一対の径方向磁石用孔と前記中央側磁束漏れ防止孔とを隔てる中央側ブリッジ部が形成された金属箔を準備する準備工程と、
    前記金属箔のうち、前記中央側ブリッジ部、前記外周部より中央側の中央部、及び前記ロータの周方向に隣接する磁極間の磁極間部以外の部分をアモルファス系軟磁性材料に維持しつつ、前記中央側ブリッジ部、前記中央部、及び前記磁極間部を加熱することで加熱部分をナノ結晶系軟磁性材料に変質させる変質工程と、
    変質させた前記金属箔を積層し、前記金属箔の積層体の前記一対の径方向磁石用孔に一対の径方向磁石を埋設し、前記ロータを作製するロータ作製工程と、を備えることを特徴とする磁石埋込型モータの製造方法。
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