JP5429515B2 - 永久磁石型回転電機のロータ又はステータに配設する界磁極用磁石体、及び永久磁石型回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、例えば永久磁石型電動機等の永久磁石型回転電機のロータ又はステータに配設する界磁極用磁石体、及び永久磁石型回転電機に関する。

従来、この種の永久磁石型電動機に用いる界磁極用磁石体として、特許文献１に記載されたものがある。
特許文献１に記載された界磁極用磁石体は、発熱抑制を図るために鉄心の軸方向又は周方向に複数に分割された磁石片の全体が、その各磁石片相互間を絶縁した状態で絶縁層により被覆されているものであり、永久磁石型電動機の鉄心外周部の周方向であって、互いに間隔をあけた複数箇所に設けた複数の取付け孔にそれぞれ挿入埋設して使用される。

上記の特許文献１には、各磁石片の作製方法に関しては記述されていないが、従来においては、回転刃物を用いて切断分割するか、圧粉成形するかのいずれかの作製方法によって磁石切片を作製し、その磁石切片を絶縁層を介して接着剤等により接着することにより界磁極用磁石体を得る方法が知られている。
特開平１１−２５２８３３号公報

しかしながら、従来知られている界磁極用磁石体では、次のような問題点がある。
１）磁石片間に絶縁層が介挿されていることから、磁石接着強度の低下が起こりやすい。
２）絶縁層厚み分の寸法誤差が、界磁極用磁石体を鉄心に挿入するときの形状寸法に積算されるため、寸法公差を小さく取れない。
３）上記２）に示す問題を解決するためには、各磁石片を一体化した後に寸法調整のための仕上げ加工が再度必要となって、コスト高となる。
４）磁石片間にそれぞれ絶縁層が介挿されているため、絶縁層を設けるためのコストが必要となる。
５）一方、磁石片間に絶縁層を形成しない場合、磁石片と磁石片が接触している接触面の接触抵抗が低下して、分割による発熱抑制の効果が低下する。

そこで本発明は、絶縁層を設けることなく発熱抑制効果を向上させることができるとともに、磁石片間の寸法公差を小さくし、さらには、製造コストの低減を図ることができる界磁極用磁石体、及び永久磁石型電動機の提供を目的としている。

上記の課題を解決するための本発明に係る界磁極用磁石体は、永久磁石型回転電機のロータ又はステータに配設するものであり、一つの永久磁石を破断分割して形成した複数の磁石片の破断面どうしを、互いに直接接触させて構成しており、各磁石片の互いの破断面の表面粗さのパラメータを、破断面の形状から求められる負荷曲線に基づく一定の切断レベルにおける負荷長さ率で表すとともに、破断面における電気抵抗値が所定の値以上となるように、上記一定の切断レベルにおける負荷長さ率を設定している。

同上の目的を達成するための本発明に係る永久磁石型電動機は、上記した界磁極用磁石体を、永久磁石型回転電機のロータ又はステータに配設している。

本発明によれば、接触面における電気抵抗値が所定の値以上となるように、上記一定の切断レベルにおける負荷長さ率を設定しているので、絶縁層を設けることなく発熱抑制効果を向上させることができる。
すなわち、接触面に作用する面圧の大小に関わらず、その接触面における電気抵抗値を所定の値以上に保持することができる。

また、複数の磁石片どうしを互いに直接接触させて構成しているので、それら磁石片間の寸法公差を小さくすることができるとともに、製造コストの低減を図ることができる。

以下に、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照して説明する。図１は、本発明の第一の実施形態に係る界磁極用磁石体を適用した永久磁石型電動機の主要部の概略構成を示し、（Ａ）は、その正面図、（Ｂ）は、Ｉ-Ｉ線に沿うロータの断面図である。なお、本実施形態においては、永久磁石型回転電機として永久磁石型電動機を例として説明する。

本発明の一実施形態に係る永久磁石型電動機（以下、たんに「電動機」という。）Ａは、図示しないケーシングの一部を構成する円環形のステータ１０と、このステータ１０と同軸的に配置された円柱形のロータ２０とを主要の構成としている。

ステータ１０は、ステータ本体１１と、複数のコイル１２…とを有して構成されており、そのステータ本体１１には、コイル１２…を配設するための正面視略台形にしたコイル孔１３…が、軸心Ｏを中心とした同一円周上に等角度間隔で形成されている。換言すると、コイル１２…が、上記軸心Ｏを中心とした同一円周上に等角度間隔で配列されている。

ロータ２０は、ロータ本体２１と、一実施形態に係る複数の界磁極用磁石体（以下、たんに「界磁極用磁石体」という。）３０…とを有して構成されている。
ロータ本体２１は、界磁極用磁石体３０を挿入嵌合するための正面視横長方形にした嵌合孔２２…を、上記軸心Ｏを中心とした同一円周上に等角度間隔で形成したものである。
換言すると、界磁極用磁石体３０…が、上記軸心Ｏを中心とした同一円周上に等角度間隔で配列されている。なお、２３は、軸心Ｏに一致してロータ本体２１に連結された回転軸である。

図２（Ａ）は永久磁石の斜視図、（Ｂ）は、（Ａ）に示す永久磁石を例えばレーザー等により分割してなる界磁極用磁石体の斜視図である。
本実施形態において示す界磁極用磁石体３０は、四つの磁石片３１〜３４どうしを、互いに並列させて構成したものである。

この界磁極用磁石体３０は、例えば磁石片３１，３２の互いの接触面における電気抵抗値が、その接触面に垂直な方向における単位長さ１ｃｍあたりの磁石片自体の電気抵抗値に対して５倍以上となる接触面圧にして嵌合孔２２に嵌合配設されている。

永久磁石３０′は、比較的電気抵抗の低いネオジウム‐鉄‐ホウ素（ＮｄＦｅＢ）磁石であり、上記した電動機Ａのロータ２０に配設するために予め所定の形状に成形されている。
本実施形態においては、図２（Ａ）に示すように、上記嵌合孔２２の断面形状と同形同大の断面にした直方体形に形成している。換言すると、嵌合孔２２に挿入嵌合できる大きさに成形されている。
なお、本実施形形態においては、ＮｄＦｅＢ磁石を例として示しているが、これに限るものではなく、例えばＳｍＣｏ磁石等を採用することができることは勿論である。

ところで、本発明に係る界磁極用磁石体は、絶縁層を用いずに発熱抑制の効果を得ることを目的としているため、隣接する磁石片どうしの一部若しくは全体は、直接接触することになる。

磁石片どうしが直接接触する場合の接触抵抗は、磁石片間の真実接触面積に左右され、また、接触抵抗は真実接触面積の逆数に比例すると考えられる。
真実接触面積は、表面に存在するミクロな突起の平均曲率と荷重によって変化する接触面積×接触点数で表される。

磁石片界面（接触面）の真実接触面積は、対向する磁石片どうしの表面の微細形状で決まると考えられるが、一般に表面粗さを表す場合に使用される算術平均粗さＲａ等のパラメータのみでは規定できない。
そこで、図３に示すように、表面形状の測定によって得られる抽出曲線から算出される負荷曲線に着目した。

図３は、抽出曲線と負荷曲線との関係を示すグラフである。
表面粗さの測定は、表面粗さ形状測定機（サーフコム１４００Ａ：株式会社東京精密製）を用いて行った。
負荷曲線上で定義される負荷長さ率ｔｐ（％）は、抽出曲線から基準長さＬを抜き取り、その平均線に平行で、かつ最高山頂から一定の切断レベルＣだけ下側にある直線で切断される表面の切断部分の長さを全長Ｌに対する百分率で現したものであり、真実接触面積に相関があると考えた。

磁石表面（破断面）形状を変化させて磁石片間の接触抵抗、発熱抑制効果を確認する実験を行った。実験によって、磁石片間の接触抵抗をよく表す切断レベルと十分に発熱抑制効果が得られる接触抵抗の確保に必要な負荷長さ率の範囲を明らかにし、本発明を完成させた。
必要な表面形状を満たしていれば、絶縁層を介さなくとも十分な発熱抑制効果が得られるとともに、磁石片どうしを直接接着剤で接着することもできる。

また、低面圧でもパラメータが大きくなるような磁石片の表面は凹凸形状が大きく、かつ、微小な平坦部が少ない方が良いことになるが、一般の研削加工を行った表面よりも、サンドブラスト、ショットブラスト、バレル研磨等の粒状物を表面に衝突させることによって得ることができる。

本実施形態においては、各磁石片の互いの接触面の表面粗さのパラメータを、接触面の形状から求められる負荷曲線に基づく一定の切断レベルにおける負荷長さ率で表すとともに、接触面における電気抵抗値が所定の値以上となるように、上記一定の切断レベルにおける負荷長さ率を設定している。

具体的には、各磁石片の互いの接触面の表面粗さのパラメータを、接触面の形状から求められる負荷曲線に基づく一定の切断レベルにおける負荷長さ率で表すとともに、接触面における電気抵抗値が０．５ｍΩ以上となるように、上記一定の切断レベル２μｍにおける負荷長さ率を４５％以下の値にしている。

換言すると、上記接触面３１ａ，３２ａにおける電気抵抗値が、当該接触面３１ａ，３２ａに垂直な方向における単位長さ１ｃｍあたりの磁石片自体の電気抵抗値に対し、５倍以上となるように設定している。
「破断面３１ａ，３２ａに垂直な方向」は、図２（Ｂ）においてαで示す方向である。換言すると、（Ａ）に示す長辺３０ｂ′，３０ｂ′に平行な方向である。

上述したように、磁石片の接触面における電気抵抗値を、その接触面に垂直な方向における単位長さ１ｃｍあたりの磁石片自体の電気抵抗値に対して５倍以上にし、具体的には、破断面（接触面）における電気抵抗値を０．５ｍΩ以上としているので、界磁極用磁石体３０を流れる電流値を減少させられるとともに、発熱を抑制することができる。

なお、接触面における電気抵抗値が５ｍΩ以上となるように、上記一定の切断レベル２μｍにおける負荷長さ率を３５％以下の値にしてもよい。この場合、完全に絶縁したときと同等の発熱抑制効果が得られる。

上述した本発明の一実施形態に係る電動機Ａによれば、安価な永久磁石を用いて、当該電動機Ａの使用時に発生する界磁極用磁石体３０の渦電流損失を抑えることができ、高い効率の電動機Ａを安価に提供することができる。
また、磁石渦電流損失による発熱を抑制することにより、永久磁石の減磁を抑制して、より高い電流をステータに流すことができるようになり、高出力を発揮する電動機をさらに安価に得ることができる。

さらに、従来のように絶縁層を挿入することによる寸法誤差が発生することがない。
またさらに、上記のように、永久磁石３０′を、嵌合孔２２の断面形状と同形同大の断面にした直方体形に形成しておくことにより、これを分割して界磁極用磁石体３０としたときにも、その嵌合孔２２への挿入嵌合を容易に行うことができる。

市販されているＮｄＦｅＢ焼結磁石（電気抵抗率：約１５０μΩｍ）を用いて、表１，２に示す実施例１〜３、比較例１，２に示す界磁極用磁石体を作製した。表１は、比較例１，２と本発明に相当する実施例１〜３とを対比したものであり、表２は、表１に示す実施例１〜３、比較例１，２に示す界磁極用磁石体の発熱評価結果を示すものである。

比較例２及び実施例１〜３は、比較例１で用いた３０×３０×５ｍｍの磁石を１０ｍｍ幅に３分割し、それぞれ分割した磁石片の磁石界面（切断面）の条件を変えることで作製した。

比較例１は、市販されているＮｄＦｅＢ焼結磁石（電気抵抗率：約１５０μΩｍ）を縦，横，高さを３０×３０×５（ｍｍ）とした直方体形に成形したもの、比較例２は、同磁石を回転砥石を用いて１０ｍｍ幅の３つの磁石片に切断し、これらの対向切断面間にデュポン社製ノーメックス紙（厚さ：５０μｍ）を挟んだものである。

実施例１〜３は比較例２と同様に分割した磁石を作製し、ノーメックス紙を挟まずに対向させた。実施例１，２は、回転砥石による分割切断加工後に研磨紙で研磨して粗さを変化させた表面を対向させ、また、実施例３では表面粗さを変更するためにバレル研磨を行った後に対向させた磁石である。

図４は、上記各界磁極用磁石体の電気抵抗値を測定するための抵抗測定装置の要部を示す説明図、図５は、上記各界磁極用磁石体の発熱を測定するための発熱測定装置の構成を示す説明図である。
図４に示す抵抗測定装置Ｂは、ＡＣミリオームテスタ（ＨＩＯＫＩ社製）を用いた４端子法による測定を行うものであり、冶具５０，５１の間に挟み込んだ界磁極用磁石体７０に、切断面に直交する方向αに荷重を作用するものであり、任意値の荷重を加えられるようになっている。なお、冶具５０，５１と界磁極用磁石体７０との間は絶縁されている。
界磁極用磁石体７０は、上記した３０×３０×厚さ５ｍｍの永久磁石を３分割して、三つの磁石片７１〜７３を、互いの切断面を直接当接させて対向した構成のものである。
なお、５２，５３はリード端子であり、磁石片７１と磁石片７３に接続している。

図５に示す発熱測定装置Ｃは、円筒形の空芯誘導コイル６０内に、界磁極用磁石体７０を断熱材６１，６２に挟持固定した状態で配置したものであり、その界磁極用磁石体７０に５ｋＨｚ、６ｍＴの交番磁界をかけることにより、サンプル（界磁極用磁石体７０）表面の温度上昇を測定するものである。

なお、８０は空芯誘導コイル６０に向けて送出する所要の信号を発生するための信号発生器、８１は、上記信号発生器８０で発生した所要の信号を増幅するための増幅器、８２は、空芯誘導コイル６０、界磁極用磁石体７０及び断熱材６１，６２を収容した有底円筒形のケースである。

まず、比較例１、比較例２について上記の電気抵抗測定と発熱評価を行ったところ、比較例１では抵抗値は約０．３ｍΩ（１０ｍｍ幅に分割された磁石一つの抵抗値に換算すると０．１ｍΩ）であり、６０秒後に２０℃の温度上昇が認められた。絶縁を行った比較例２では抵抗値は測定不可であり、６０秒後の温度上昇は６℃に抑えられた。

次に実施例１について磁石片を押さえつけることで磁石片間の接触面圧を変化させながら実験を行ったところ、磁石間の界面１つあたりに換算した接触抵抗が５ｍΩ以上の場合には完全に絶縁した比較例２と同等の発熱抑制効果が認められた。
接触抵抗が５ｍΩよりも小さくなると温度上昇が大きくなり始め、０．５ｍΩでは１０℃の上昇（比較例１の半分）が見られた。
接触抵抗０．５ｍΩでは、比較例２に対しては効果が小さくなるものの比較例１と比べると温度上昇は半分に抑制されているため、効果は十分認められる。しかし、これ以上接触抵抗が低下すると急激な発熱上昇が認められるため、界面１つあたりの接触抵抗値０．５ｍΩ（素材抵抗値の５倍）より大きな接触抵抗を保っていれば発熱抑制効果が得られる。

次に実施例２、３について面圧１０００ｋＰａでの測定を行った。測定結果から接触抵抗は実施例３（バレル研磨：Ｒａ１．４μｍ）＞実施例２（＃１８０研磨：Ｒａ０．５μｍ）＞実施例１（＃４０研磨：Ｒａ０．９μｍ）となり、算術平均粗さＲａとは傾向が異なることが分かった。
そこで、実施例１〜３の磁石片対向面の表面形状測定を行い、抽出曲線から負荷曲線を算出した（図６参照）。切断レベルが２μmより上の領域では、真実接触面積（接触抵抗を反映している）が実施例の接触抵抗測定値と同様の傾向を示していることがわかった。

負荷長さ率は真実接触面積を反映しており、接触抵抗値は真実接触面積と反比例の関係にあると考えられるため、切断レベル２μｍにおける負荷長さ率と面圧１０００ｋＰａでの接触抵抗値を整理すると、表３，図７に示す関係が得られた。

ここで得られた近似曲線より接触抵抗が５ｍΩの場合と０．５ｍΩの場合の負荷長さ率を算出するとそれぞれ、約３５％、約４５％となった。よって、１０００ｋＰａの面圧がかかった場合でも負荷長さ率が３５％以下であれば、接触抵抗５ｍΩ以上を確保することができ、負荷長さ率が４５％以下であれば接触抵抗０．５ｍΩ以上を確保できると考えられる。

なお、本発明は上述した実施形態に限るものではなく、次のような変形実施が可能である。

上述した実施形態においては、一つの永久磁石をレーザー等で分割したものを例として説明したが、機械的若しくは加熱・冷却よる外力を加えることにより、一つの永久磁石を破断分割してもよい。

上記においては、界磁極用磁石体をロータに埋設した所謂埋設構造の電動機（ＩＰＭ）に適用した例について説明したが、表面磁石構造（ＳＰＭ）の電動機についても適用できる。また、ロータに配設することに限らずステータに配設してもよく、さらには、発電機にも適用できることは勿論である。

上記においては、一の永久磁石を二つ又は三つの磁石片に分割した例について説明したが、一の永久磁石を四つ以上に分割してなる界磁極用磁石体４０としてもよい。また、一の永久磁石を分割することに限らず、別個の永久磁石を用いてもよい。

上記においては、長方体形の永久磁石を分割する例について示したが、これに限らず。例えばＣ型若しくは他の異型に形成した永久磁石等であってもよい。

上記においては、並列させた磁石片どうしを、これらの面を対向当接したものについて説明したが、それら面どうしを接着材によって接着した構成にしてもよい。これにより、分割した磁石片を一体化することができ、ロータ等への挿入や着磁を容易に行うことができる。

本発明の第一の実施形態に係る界磁極用磁石体を適用した永久磁石型電動機の主要部の概略構成を示し、（Ａ）は、その正面図、（Ｂ）は、Ｉ-Ｉ線に沿うロータの断面図である。 （Ａ）は永久磁石の斜視図、（Ｂ）は、（Ａ）に示す永久磁石を破断分割してなる界磁極用磁石体の斜視図である。 抽出曲線と負荷曲線との関係を示す説明図である。 各界磁極用磁石体の電気抵抗値を測定するための抵抗測定装置の要部を示す説明図である。 各界磁極用磁石体の発熱を測定するための発熱測定装置の構成を示す説明図である。 負荷長さ率と切断レベルとの関係を示すグラフである。 １０００ｋＰａでの接触抵抗と負荷長さ率の関係を示すグラフである。

符号の説明

１０ ステータ
２０ ロータ
３０，７０ 界磁極用磁石体
３１，３２ 磁石片
７１〜７３ 磁石片
Ａ 永久磁石型電動機（永久磁石型回転電機）

Claims (8)

1. 永久磁石型回転電機のロータ又はステータに配設する界磁極用磁石体において、
   一つの永久磁石を破断分割して形成した複数の磁石片の破断面どうしを、互いに直接接触させて構成しており、
   各磁石片の互いの破断面の表面粗さのパラメータを、破断面の形状から求められる負荷曲線に基づく一定の切断レベルにおける負荷長さ率で表すとともに、
   破断面における電気抵抗値が所定の値以上となるように、上記一定の切断レベルにおける負荷長さ率を設定していることを特徴とする界磁極用磁石体。
2. 接触面における電気抵抗値が０．５ｍΩ以上となるように、一定の切断レベルにおける負荷長さ率を設定していることを特徴とする請求項１に記載の界磁極用磁石体。
3. 切断レベル２μｍにおける負荷長さ率を４５％以下の値にしていることを特徴とする請求項１に記載の界磁極用磁石体。
4. 接触面における電気抵抗値が５ｍΩ以上となるように、一定の切断レベルにおける負荷長さ率を設定していることを特徴とする請求項１に記載の界磁極用磁石体。
5. 切断レベル２μｍにおける負荷長さ率を３５％以下の値にしていることを特徴とする請求項１に記載の界磁極用磁石体。
6. 破断面の表面粗さを、磁石片の破断面に粒状物を衝突させることにより設定していることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の界磁極用磁石体。
7. 永久磁石は、ロータ又はステータに配設するために予め所定の形状に成形されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の界磁極用磁石体。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の界磁極用磁石体を、ロータ又はステータに配設していることを特徴とする永久磁石型回転電機。

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