JP4089072B2 - 永久磁石埋込み形モータ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転子に永久磁石を埋め込んだ磁石埋込み形モータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
永久磁石埋込み形モータに焼結型の永久磁石を使用する場合、永久磁石をロータコアに設けたスリットに挿入したのち、形状誤差による隙間を充填剤や接着剤で埋める方法や、ボルト、ナットによる機械的結合方法などによってロータコアに固着する方法がとられており、永久磁石の成形と組込み工程の生産性向上の阻害要因になっている。また粉末状の永久磁石原料を注入し、鋳ぐるみ法で永久磁石を形成する場合、ロータを５００℃以上の高温に長時間投入する必要があり、設備費が大きくなるほか、ロータ自体に加熱による残留応力や変形が発生して信頼性が低下するなどの欠点があった。
【０００３】
図１４は、上記のような問題点を解決するために特開平１０−１１２９４６号公報が提案しているもので、永久磁石埋込み形ブラシレスＤＣモータ用の回転子構成図である。ロータコア１の４個所に形成したスロット２にハード磁性相とソフト磁性相からなる磁石粉末を樹脂で結合した樹脂結合型の永久磁石３を挿入する構造になっており、永久磁石３はスロット２に挿入後、ロータコア１に接着あるいはボルト、ナットによる機械的結合方法で固着されている。
しかし、このような接合方法では長期にわたる高速回転での使用中に、永久磁石の剥離やかけなどが生じ、故障の原因となるという問題がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、以上のような問題を解決するためになされたものであり、永久磁石の成形時間を短縮するとともに、磁石組込み工程における生産性の高い磁石埋込み形モータを提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この発明による永久磁石埋込み形モータは、ロータは軸方向に複数の磁性材を成形し各極毎にスリットを設けたロータコア板を複数枚積層したロータブロックを積重ねてなるロータコアと、前記ロータブロックの前記スリットに樹脂中に永久磁石材料の粉末を分散したボンド磁石を注入成形した永久磁石とを備えた永久磁石埋込みモータにおいて、前記ロータブロックの軸方向の両端面に前記ボンド磁石の薄層からなり凹凸の形状が互いに相補的な形状のスペーサを形成し、互いに隣接する前記ロータブロックの前記スペーサの凹凸が互いに噛み合うように前記ロータブロックを積重ねたものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、この発明をその実施の形態を示す図面を用いて具体的に説明する。なお、前述した従来の磁石埋込み形モータと同一もしくは相当する部分には同一の符号を付し重複しての説明はしない。同様に、各実施形態の説明では先行する実施形態の説明と重複する部分についても説明を省略する。
【００１３】
図１は、この発明の実施形態を示す４極の磁石埋込み形モータにおけるロータコア組立体の斜視図である。図において、１は電磁鋼板で形成したロータコアであり、その中心側に向かって凸状に形成した多数のスリット１１と磁路１２を設けている（図は、スリット１１が９層、磁路１２が８層の場合を示している）。このスリット１１にはマトリックスポリマに永久磁石材料の粉末を分散させた磁石（以下、ボンド磁石という）２を埋込んでいる。各極に設ける永久磁石の層数は、埋込みに用いるボンド磁石の特性やエアーギャップにおける磁束分布に影響を与えるため、スリット１１と磁路１２の個数は使用するボンド磁石の特性や希望する磁石埋込み形モータの性能に応じて適宜選択する必要があり、図がその一例示であることはいうまでもない。
【００１４】
ロータコア１は直径６０ｍｍであり、厚さ０．３５ｍｍの珪素鋼板を所定の形状に打抜いたロータコア板を３０枚積層したもので、幅が０．５ｍｍで間隔が０．５ｍｍのスリット９個を極数分（４組）等間隔に形成している。ボンド磁石２は、ロータコア１を射出成形機に取付けた金型内にセットし、１７０℃に加熱して流動化させたボンド磁石（ここでは、マトリックスポリマとしてナイロン１２、永久磁石材料の粉末としてフェライト粉末を用いた）を圧力１０００ｋｇ−ｆ／ｃｍ² 、毎秒３５ｃｍ³ の速さで充填した。金型には配向用のマグネットを配設しボンド磁石の成形と同時に着磁した。
【００１５】
図２は、粘度の異なる複数の熱可塑性マトリックスポリマによるボンド磁石を用い、図１を用いて説明したもの同様にロータコア組立体を製作したときの、ボンド磁石の流動特性を示すメルトフローレートとスリット１１の内部空間に対するボンド磁石の充填率の関係を示すグラフである。ボンド磁石のスリット中への充填特性はメルトフローレート（ＪＩＳＫ７２１０の規定に準じ、試験条件は温度３００℃、荷重２０ｋｇ−ｆ、ダイの内径１．０ｍｍ、ダイの厚さ１．０ｍｍ、以下ＭＦＲと呼ぶ）によって評価した。ボンド磁石のＭＦＲが０．３ｃｃ／ｓｅｃ以上であればスリット内部のボンド磁石充填率は略１００％になるが、ＭＦＲがこれを下回ると急激に低下している。
ＭＦＲとボンド磁石充填率の関係はマトリックスポリマおよび永久磁石材料の粉末の種類や含有率にほとんど依存しないことが確かめられた。このことから、スリットへ充填するボンド磁石のＭＦＲは０．３ｃｃ／ｓｅｃ以上であることが望ましい。
【００１６】
マトリックスポリマとして熱硬化性樹脂を用いることも可能である。図３は粘度の異なる複数の熱硬化性マトリックスポリマを用いたボンド磁石に関する図２に相当するグラフである。スリット内部へのボンド磁石充填率は、粘度が１００００ｃＰ以下であれば略１００％であるが、これを上回ると急激に低下している。永久磁石材料粉末粒子のマトリックスポリマ内での分散状態の安定性およびスリット中への充填時、金型からの漏出の点から粘度の下限は１０００ｃＰ程度である。このため、ボンド磁石の２５℃における粘度は１０００ｃＰ乃至１００００ｃＰの範囲とするのが望ましい。
【００１７】
永久磁石材料の粉末としては、フェライトのほかネオジウム系やサマリウムコバルト系の永久磁石材料粉末でもよい。また、マトリックスポリマはモータの耐熱温度に応じて適当なものを選択すればよく、熱可塑性樹脂では上述したナイロンのほか、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、エチレンエチルアクリレート（ＥＥＡ）などが、また熱硬化性樹脂ではエポキシやポリイミドなどが使用できる。
永久磁石材料粉末およびマトリックスポリマを適当に選択することにより、きわめて広範な特性をもつボンド磁石を磁石埋込み形モータのロータコアに埋込むことができる。
【００１８】
図１に示したロータコア組立体では、隣接する極間を連続したスリット１１でつなぎボンド磁石２を埋込むものとして説明したが、ロータコア組立体の機械的強度の向上やスリット１１にボンド磁石２を高い圧力で注入する時、各スリット１１の間に生じるボンド磁石の圧力差により、スリット１１の間の隔壁をなしている磁路１２に変形が生じないよう、図４に示すようにブリッジ部１３を設けて各スリット１１’を適当に分割してもよい。さらに、ロータコア外周近傍における漏洩磁路の形成を防止する意味からスリットをロータコア外周面に開口する形態としてもよい。図４はスリットの分割方法の１例を示すものであって、スリットの分割方法が図４の形態だけに限られるものでないことはいうまでもない。
【００１９】
なお、ボンド磁石２を注入する時の各スリット１１の間の隔壁をなしている磁路の変形を防止するために、図５に示すようにスリットの長手方向に適当な間隔でピン３を挿入した状態でボンド磁石を注入してもよい。このピン３はボンド磁石成形用の金型に固定するか、あるいはスリット１１のピン固定位置に適当な突起あるいはくぼみを設け固定すればよい。なお、ピン３はボンド磁石の硬化後これを取除いてもよく、そのままにしておいてもよい。ピン３を取除かずにそのままにしておく場合は非磁性体をもちいることが望ましい。このような構成をとれば、先に説明したスリットを分割する方法でブリッジ部１３が形成する漏れ磁路が存在しないため磁気特性が向上する。もちろんスリットを分割する方法とこのピンを挿入する方法とを組合わせてもよい。
【００２０】
以上のように構成することによって、従来の磁石埋込み形モータに比べ永久磁石の形状を任意に選ぶことができる。特に磁石の薄層化が容易である。
ボンド磁石２の着磁は、注入後の硬化時に金型に配設した配向用マグネットによって着磁し、硬化後一端脱磁したうえで、さらに再着磁してもよい。もちろん、配向用マグネットによる着磁を行わず硬化後に着磁してもよいことはいうまでもない。着磁にはパルス磁界を用いる着磁装置等を用いればよい。
【００２１】
以上の説明は、スリット１１が９層と磁路１２が８層の場合について記述したが、ボンド磁石２の成形はきわめて自由度が高いため、永久磁石の形状を任意に選ぶことができる。図６から図９は永久磁石配置の変形例を示すものである。図に示した永久磁石配置のパターンは例示であって、発明の内容を制限するものでないことはいうまでもない。永久磁石は硬化に際してロータコアに強固に密着するので接着剤や充填剤による固着、あるいはボルト・ナット等の機械的拘束手段を用いて永久磁石を固定する必要がない。
また、ロータコア板は珪素鋼板を打ち抜いて成形したものとして説明したが、これに限られるものでないことはいうまでもない。例えば磁性材からエッチング等の手段によって一体成形したブロック状のものであってもよい。
【００２２】
図１０は、この発明の実施形態を示す磁石埋込み形モータにおけるロータコア組立体の斜視図である。図において、１４はスリット群の中間位置を示すマークであり、積層する各コア板に共通する位置を示している。この図はステータ組立体の内径に設けるコイルスロットの間隔とロータコア組立体外周における磁極間隔の組合せ如何によって生じる出力トルクの脈動や高調波電流による騒音発生などを防ぐ目的で行われるコアスキューの実現方法を説明するものである。
【００２３】
ロータコア組立体を構成する各コア板のマーク１４を積層するにつれて回転方向に順次ずらせている。各コア板を回転方向に順次ずらせて積層したロータコア１に図１を用いて説明したのと同様、そのスリット部にボンド磁石２を埋込んでいる。ボンド磁石の各スリットへの注入が均等に行われるようにするため各コア板間でのずらせ量δはスリット１１の幅の１／２以下にすることが望ましい。
以上の説明に用いたマーク１４は説明の便宜上付したものであって、コア板に必須なものではない。もちろん、例えばコア板の位置あわせなどの目的でコア板外周に設けるノッチ状の切欠きなどをマーク１４のかわりに用いてもよいのはいうまでもない。
【００２４】
図１１は、コアスキューの他の実現方法を説明するものである。
ロータコアの積層高さを所定数に分割したコアブロックごとに積層し、その各コアブロック部分１ａには図１を用いて説明したのと同様に、それぞれのスリット１１にボンド磁石２を埋込み、各コアブロック１ａのマーク１４を回転方向に順次ずらせて積上げロータコア組立体を構成している。
このようにロータコア組立体を構成することによって、コアスキューの大きさをスリット間隔に左右されないで実現できる。またロータコアの積層高さを分割してボンド磁石２の埋込みができるため、スリット１１へのボンド磁石２を注入するときの圧力が小さくてよく、スリット１１間の隔壁をなしている磁路１２が変形することも少ない。
【００２５】
図１２は、この発明の実施形態を示す磁石埋込み形モータにおけるロータコア組立体の斜視図、図１３はロータコアの各コアブロック１ａにおける重合せ面を示す斜視図である。図において、２１は各コアブロック１ａの重合せ面に形成した間隔片、２１ａおよび２１ｂは互いに重合わせる２つの面のそれぞれに形成した間隔片であり、間隔片２１ａおよび２１ｂは同じ厚さで、その凹凸部が互いに反転した相補的な形状になっている。間隔片２１ａと２１ｂの互いの凹凸部をはめ合せたとき、スリット１１がロータコア組立体の積層高さ全長で直線上に並ぶように、あるいは図９を用いて説明したと同様のコアスキューが成立つように、スリット１１と間隔片２１ａおよび２１ｂの位置関係を設定している。
【００２６】
スリット１１にボンド磁石２を注入して充填するためには、図１を用いての説明中においても述べたとおり、射出成形法等の手段が必要である。スリット１１にボンド磁石２を注入するためには、ボンド磁石成形用金型のコアブロック重合せ面と対向する部分にはボンド磁石２の流路が必要である。この流路の形状を間隔片２１ａおよび２１ｂの反転した形状に形成することによって、スリット１１へのボンド磁石２の成形と同時に間隔片２１ａおよび２１ｂが完成する。間隔片２１の厚さはロータコア組立体の積層高さに占めるコア板の厚さの総計がなす割合（占積率）を低下させない程度に小さくすることが必要である。
以上のように構成することによって、ボンド磁石成形後の重合せ面についてはバリ除去作業を省略でき、さらにコアブロックの重合せ作業において回転方向の位置あわせが容易になるため生産性が向上する。
【００３１】
【発明の効果】
ロータブロックの軸方向の両端面にボンド磁石の薄層で凹凸の形状が互いに相補的な形状のスペーサを形成し、互いに隣接するロータブロックのスペーサの凹凸が互いに噛み合うようにロータブロックを積重ねたので、ボンド磁石成形後のバリ除去作業を省略でき、さらにコアブロックの重合せ作業において回転方向の位置あわせが容易になるため生産性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明による磁石埋込み形モータのロータコア組立体斜視図である。
【図２】 熱可塑性マトリックスポリマを用いたボンド磁石の流動特性とスリットへの充填率の関係を示すグラフである。
【図３】 熱硬化性マトリックスポリマを用いたボンド磁石の流動特性とスリットへの充填率の関係を示すグラフである。
【図４】 この発明によるスリットの分割方法を示すロータコア組立体正面図である。
【図５】 この発明によるボンド磁石の注入方法を説明するためのロータコア組立体正面図である。
【図６】 この発明による永久磁石配置の変形例を示すロータコア組立体正面図である。
【図７】 この発明による永久磁石配置の他の変形例を示すロータコア組立体正面図である。
【図８】 この発明による永久磁石配置のさらに他の変形例を示すロータコア組立体正面図である。
【図９】 この発明による永久磁石配置のさらに他の変形例を示すロータコア組立体正面図である。
【図１０】 この発明によるコアスキューの実現方法を説明するためのロータコア組立体斜視図である。
【図１１】 この発明によるコアスキューの他の実現方法を説明するためのロータコア組立体斜視図である。
【図１２】 この発明による磁石埋込み形モータの他のロータコア組立体斜視図である。
【図１３】 この発明によるロータコア組立体のコアブロック重合せ面を示すコアブロック斜視図である。
【図１４】 従来の磁石埋込み形モータにおけるロータの構成図である。
【符号の説明】
１‥ロータコア、１１‥スリットまたは磁石用空隙、１４‥コアブロック上のマーク
２‥ボンド磁石、２１・２１ａ・２１ｂ‥間隔片

Claims (3)

1. ロータ内部に永久磁石を埋込む構造を有し、
   前記ロータは軸方向に複数の磁性材を成形し各極毎にスリットを設けたロータコア板を複数枚積層したロータブロックを積重ねてなるロータコアと、前記ロータブロックの前記スリットに樹脂中に永久磁石材料の粉末を分散したボンド磁石を注入成形した永久磁石とを備えた永久磁石埋込み形モータにおいて、
   前記ロータブロックの軸方向の両端面に前記ボンド磁石の薄層からなり凹凸の形状が互いに相補的な形状のスペーサを形成し、互いに隣接する前記ロータブロックの前記スペーサの凹凸が互いに噛み合うように前記ロータブロックを積重ねたことを特徴とする永久磁石埋込み形モータ。
2. 前記樹脂が熱可塑性樹脂であることを特徴とする請求項１記載の永久磁石埋込み形モータ。
3. 前記樹脂が熱硬化性樹脂であることを特徴とする請求項１記載の永久磁石埋込み形モータ。

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