JP5446428B2 - 界磁極用永久磁石及びその製造方法並びに界磁極用永久磁石を備える永久磁石型回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、界磁極用永久磁石材料を複数の磁石片に分割し、この複数の磁石片同士を絶縁性部材により結合することで一体化した界磁極用永久磁石及びその製造方法並びに界磁極用永久磁石を備える永久磁石型回転電機に関する。

従来、永久磁石型電動機に用いる界磁極用永久磁石は、鉄心外周部の周方向に沿って間隔をあけた複数箇所の取付孔にそれぞれ挿入埋設して使用している。このような界磁極用永久磁石は、発熱抑制を図るために鉄心の軸方向または周方向に分割した複数の磁石片で構成し、その際各磁石片相互間を絶縁した状態で絶縁層により被膜している(下記特許文献１参照)。

特開平１１−２５２８３３号公報

ところで、界磁極用永久磁石材料を複数に分割する手法として、回転刃物を用いて切断する方法が一般的に知られている。

ところが、切断により分割する場合には、切断粉を発生させて一部を除去することになり、切断面同士としては切断前に結合していたものではない。したがってこの切断面同士を突き合わせたときに、分割した磁石片相互が傾いた状態となりやすい。このため、切断後の磁石片を一体化して界磁極用永久磁石として使用する際には、磁石側面が同一平面となるよう仕上げ加工が必要となってコスト高となる。

そこで、本発明は、複数に分割した磁石片を一体化した後の界磁極用永久磁石に対する仕上げ加工を不要としてコスト低下を図ることを目的としている。

本発明は、界磁極用永久磁石材料を破断により複数の磁石片に分割し、この複数の磁石片同士を絶縁性部材により結合したものであって、前記絶縁性部材は接着剤と粒子とを有し、前記粒子の直径は、前記複数の磁石片の破断による分割面の十点平均粗さの１／２以下で、かつ、前記分割面の粗さ曲線における凹凸の１周期分の間隔の最小値の１／３以下であることを特徴とする界磁極用永久磁石である。

本発明によれば、界磁極用永久磁石材料を単に破断することで複数の磁石片に分割しているので、分割した後の破断面同士としては、破断前に結合していたものにほぼ相当する。したがって、この破断面同士を結合することで、元の界磁極用永久磁石材料とほぼ同等の形状とすることができ、結合後の磁石側面が同一平面となりやすい。このため、複数に分割した磁石片を一体化した後の界磁極用永久磁石に対する仕上げ加工を不要としてコスト低下を図ることができる。

本発明の第１の実施形態に係わる界磁極用永久磁石を鉄心に挿入した状態を示す斜視図である。 （ａ）は界磁極用永久磁石材料の斜視図、（ｂ）は（ａ）の界磁極用永久磁石材料を複数に分割して得た磁石片の斜視図、（ｃ）は（ｂ）の複数の磁石片同士を結合して図１の界磁極用永久磁石とした状態を示す斜視図である。 図２（ｂ）の複数の磁石片同士を結合する際に使用する絶縁性部材の拡大図である。 図２（ａ）の界磁極用永久磁石材料を分割する作業を示す作用説明図である。 磁石片における破断面の粗さ曲線と、絶縁性部材に含まれる粒子との関係を示す説明図である。 図５に対しより具体的な粗さ曲線における凹凸の１周期分の間隔を示す説明図である。 本発明の第２の実施形態に係わる磁石片の破断面に絶縁性部材を塗布した状態を示す斜視図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。

［第１の実施形態］
永久磁石型回転電機として例えば電気自動車の走行用駆動源として用いる永久磁石型同期モータ（以下、単にモータとする）において、図１に示すように、ロータコアである鉄心１に、本実施形態による界磁極用永久磁石３を設けている。

鉄心１は、薄板状の電磁鋼板などの積層体として構成してあり、その中心に図示しないロータシャフトを挿入固定するシャフト挿入孔１ａを備えるとともに、外周側近傍の円周方向等間隔に設けてある複数（ここでは４つ）の磁石挿入孔１ｂに、前記した界磁極用永久磁石３を挿入配置している。

そして、上記した鉄心１にロータシャフト及び界磁極用永久磁石３を取り付けて構成したロータを、図示しないモータハウジングに対してベアリングを介して回転可能として、該ロータの外周側に、図示しないコイルを備えるステータを上記ハウジングに固定した状態で配置して、モータを構成する。

ここで本実施形態の界磁極用永久磁石３は、図２（ａ）に示す長方形の板状の界磁極用永久磁石材料５を、その長手方向に沿って複数（ここでは４つ）に分割して図２（ｂ）に示すような磁石片７とし、さらにこの分割した複数の磁石片７同士を、図２（ｃ）に示すように絶縁性部材９（図３参照）により結合することで一体化している。

絶縁性部材９は、図３に示すように、接着剤１０と、この接着剤１０に混合する絶縁介在物であってスペーサの機能を有する非導電性の粒子（例えばガラスビーズやセラミックス粒子など）１１とを有している。接着剤１０としては、例えばエポキシ樹脂やシリコーン樹脂であり、この接着剤に粒子１１を配合し攪拌してから使用する。したがって、粒子１１は、接着剤１０全体に分散してほぼ均等に混合した状態となり、この際粒子１１の配合割合は２重量％とする。

なお、界磁極用永久磁石材料５を複数の磁石片７で構成することで、渦電流を小さく分割して損失を低減し、界磁極用永久磁石３の発熱を抑えることができ、モータとして高出力化に寄与することができる。

ここで、本実施形態における界磁極用永久磁石３は、界磁極用永久磁石材料５を複数の磁石片７に分割する方法として、回転刃物を用いて切断するのではなく、単に破断により分割している。その分割方法を図４に示す。

前記図２（ａ）に示すように、界磁極用永久磁石材料５は、その長手方向に沿って等間隔に３箇所の溝５ａを形成してあり、この溝５ａは上記長手方向と直交する短辺側と平行に延設してある。図４に示すように、溝５ａは、Ｖ字形状としてその開き角度θを９０度以下とするとともに、深さＡを界磁極用永久磁石材料５の板厚Ｂの１／１０００以上としている。なお、この深さＡは、上記値を満足する最も小さい値、すなわち板厚Ｂの１／１０００とすることが望ましい。

溝５ａを形成する方法としては、機械的な加工やレーザ加工あるいはワイヤカット放電加工がある。

このような界磁極用永久磁石材料５を、下部治具１３及び上部治具１５からなる磁石固定治具１７によって挟持固定することで保持する。磁石固定治具１７により挟持固定する方法としては、ボルト締結や油圧による押し込みがある。その際、下部治具１３の破断する側の端面１３ａをＶ字形状の溝５ａの底部先端に対応させる一方。上部治具１５の同端面１５ａは溝５ａから若干離反させた位置とする。

また、界磁極用永久磁石材料５の磁石固定治具１７により保持した部位から図４中で右側に突出した部分は、その後破断して得られる１つの磁石片７のみが存在するものとし、該１つの磁石片７に対して上方から可動側治具１９を下方に向けて押し込むことで、界磁極用永久磁石材料５を、前記溝５ａを境にして破断して分割する。可動側治具１９の動力としては、サーボプレスや機械プレスあるいは油圧プレスがある。

上記可動側治具１９の界磁極用永久磁石材料５に対する押し込み位置Ｃは、上記１つの磁石片７より図４中で右側に位置する前回破断した溝５ａの中心からＤ（＝１．５ｍｍ）以上磁石固定治具１７側とする。この際、今回破断する溝５ａの中心からの上記押し込み位置Ｃまでの距離Ｅは、上記Ｄ＝１．５ｍｍ以上を満足する値の中で最も大きい値が望ましい。

なお、上記図４の例では、既に少なくとも１回破断した後の状態を示しているが、図２（ａ）の状態から最初の１つの磁石片７を得るために破断する際には、界磁極用永久磁石材料５の長手方向端部から磁石固定治具１７側に１．５ｍｍ以上離れた位置を上記押し込み位置Ｃとする。

上記図４のように、磁石固定治具１７により保持した部位から突出した部分の界磁極用永久磁石材料５を、可動側治具１９により矢印Ｆで示すように下方に押し込むことで、この押し込まれた部分の界磁極用永久磁石材料５は、溝５ａを起点として破断されて磁石片７として分割される。

すなわち、本実施形態では、溝５ａを境にして界磁極用永久磁石材料５の一方側を保持した状態で他方側を、前記保持した位置を支点として押圧することで、前記溝５ａに対応する部位を破断により分割し、この分割するときの前記他方側に対する押圧位置である押し込み位置Ｃを、前記支点と反対側の端部から前記支点側に１．５ｍｍ以上離れた位置としている。

このような分割作業を、図２（ａ）の界磁極用永久磁石材料５に対して順次３回実施することで、図２（ｂ）に示す４つの磁石片７を得ることができる。そして、この４つに分割した磁石片７を、絶縁性部材９を用いて接着により互いに結合固定することで、図２（ａ）に示す元の界磁極用永久磁石材料５とほぼ同形状となる図２（ｃ）に示す界磁極用永久磁石３を作製する。

そして、この作製した界磁極用永久磁石３は、前記図１に示すように、鉄心１の磁石挿入孔１ｂに挿入して固定する。

ここで、上記のようにして破断した後の各磁石片７の端部における分割面である破断面７ａは、適度な粗さを備える一方、絶縁性部材９については、前述したように非導電性の粒子１１を混合している。そして、本実施形態では、図５に示すように、粒子１１の粒径（直径）φが、破断面７ａの粗さ（十点平均粗さ：Ｒ_Z）の１／２以下で、かつ、破断面７ａの粗さ曲線Ｇにおける凹凸の１周期Ｈの最小値の１／３以下としている。なお、図５中で二点鎖線の粗さ曲線Ｇは、結合相手側の磁石片７のものである。

図６は、より具体的な粗さ曲線Ｇａを示している。この粗さ曲線Ｇａは、その長さ方向（図６中で左右方向）に基準長さＬだけ抜き取った部位を示しており、その粗さ曲線Ｇａにおける凹凸の１周期Ｈに対応する間隔Ｓｍｉを、Ｓｍ１，Ｓｍ２，…，Ｓｍｎとして示している。つまり、これら各間隔Ｓｍｉを、Ｓｍ１，Ｓｍ２，…，Ｓｍｎのうちで最も小さい値が、前記した粗さ曲線Ｇの凹凸の１周期Ｈの最小値となる。

このように、本実施形態では、界磁極用永久磁石材料５を単に破断することで複数の磁石片７に分割している。破断により分割することで、例えば回転刃物を用いて切断により分割する場合のように、切断部分を切断粉として除去することがなく、磁石片７相互間の分割面である破断面７ａ同士が、破断前に結合していたものにほぼ相当するものとなる。

このため、この破断面７ａ同士を互いに突き合わせることで、ほぼ元の界磁極用永久磁石材料５と同様の形状に戻すことが可能であり、結合後の磁石側面をほぼ同一平面とすることができる。この結果、複数に分割した磁石片を一体化した後の界磁極用永久磁石に対する仕上げ加工を不要としてコスト低下を図ることができる。また、破断面７ａの凹凸部が磁石片７相互の位置決め作用を発揮して、結合作業が容易となる。

したがって、この分割した磁石片７同士を、例えば一方の破断面７ａに絶縁性部材９を塗布した後、破断面７ａ同士を突き合わせることで、複数の磁石片７を互いに結合して一体化した高品質な界磁極用永久磁石３とすることができる。

このため、複数に分割した磁石片７を一体化した後の界磁極用永久磁石３に対する寸法調整のための仕上げ加工が不要になるとともに、材料の歩留まりも向上してコスト低下を図ることができる。また、界磁極用永久磁石材料５を分割する際には単に破断するだけなので、特に硬度の高い界磁極用永久磁石材料５を切断により分割する場合に比較して、分割作業を容易にでき、作業コストも低減する。

また、上記仕上げ加工が不要となることから、界磁極用永久磁石３を鉄心１の磁石挿入孔１ｂに挿入する際の寸法公差を小さくとることができ、高品質なモータを製造することができる。

また、互いに隣接する磁石片７同士は絶縁性部材９により絶縁しているので、これら各磁石片７相互間での接触抵抗が増大することになって、各磁石片７相互間での渦電流の分割をより確実に行え、複数の磁石片７に分割することによる発熱抑制効果をより高めることができる。

さらに、複数の磁石片７を分割して得る代わりに、圧粉成形で得る場合には、成形個数が磁石片分必要となり、コスト高となる。

また、本実施形態では、界磁極用永久磁石材料５は、複数の磁石片６に分割する位置に溝５ａを備えており、この溝５ａの深さＡは、界磁極用永久磁石材料５の厚さの１／１０００以上としている。これにより、破断する際の界磁極用永久磁石材料５に対する可動側治具１９の押し込み力が少なくて済んで作業効率が向上するとともに、押し込み力過大による破損も抑制することができる。

すなわち、溝５ａの深さが、界磁極用永久磁石材料５の厚さの１／１０００未満の場合には、破断する際の押し込み力が過大となって作業効率の悪化を招くとともに、他の部位が破損する恐れがある。また、深さＡを、界磁極用永久磁石材料５の厚さの１／１０００以上とした値のうち最も小さい値、すなわち板厚Ｂの１／１０００とすることで、分割後に突き合わせる破断面７ａの面積がより大きくなり、この結果破断面７ａの凹凸による磁石片７相互間の位置決め精度も高まって、高品質な界磁極用永久磁石３を得ることができる。

さらに、上記溝５ａの形状を、Ｖ字形状としてその開き角度を９０度以下とすることで、溝５ａを起点とする分割作業をより容易に実施することができる。

また、本実施形態では、絶縁性部材９を接着剤１０と非導電性の粒子１１とを混合して構成し、この際粒子１１の直径は、複数の磁石片７の破断による分割面である破断面７ａの粗さ（Ｒ_Z）の１／２以下で、かつ、破断面７ａの粗さ曲線Ｇにおける凹凸の１周期Ｈの最小値の１／３以下としている。

これにより、複数の磁石片７相互を、破断面７ａ同士を突き合わせて結合するときに、粒子１１が破断面７ａの凹凸の凹部内に入り込んだ状態を確保し、互いに隣接する磁石片７同士が横ずれしにくくなるので、磁石片７相互の位置合わせ性が向上する。

また、本実施形態では、溝５ａを境にして界磁極用永久磁石材料５の一方側を保持した状態で他方側を、前記保持した位置を支点として押圧することで、溝５ａに対応する部位を破断により分割し、この分割するときの前記他方側に対する押し込み位置Ｃを、前記支点と反対側の端部から前記支点側に１．５ｍｍ以上離れた位置としている。

これにより、磁石片７における破断面７ａ側の端部の欠けによる損傷を極力抑えることができる。その際、上記図４における押し込み位置Ｃの溝５ａからの距離Ｅを、前記Ｄ＝１．５ｍｍ以上を満足する値の中で最も大きい値とすることで、可動側治具１９による破断荷重である押し込み荷重を極力小さく抑えることができ、より効率よく破断作業を行うことができる。

［第２の実施形態］
図７に示す第２の実施形態は、前記第１の実施形態のようにして複数に分割した磁石片７相互を結合するために使用する絶縁性部材９Ａを第１の実施形態と異ならせている。本実施形態の絶縁性部材９Ａは、第１の実施形態と同様の接着剤１０に混合する粒子１１を、磁石片７における長方形状の破断面７ａの四隅に配置している。この際、破断面７ａの全体に接着剤１０を塗布した後、粒子１１を四隅に配置する。

すなわち、本実施形態では、非導電性の粒子１１を、複数の磁石片７相互間の一部位に配置していることになる。

具体的には、非導電性の粒子１１を接着剤１０上に配置する前に、接着剤１０を一方の破断面７ａに塗布し、分割した磁石片７同士を接着剤１０を間に挟んだ状態で押し付けることで接着剤１０の厚さを狙い厚さにした後、一方の磁石片７を接着剤１０から一旦引き離す。その後、図７のように接着剤１０の四隅に粒子１１を配置してから、上記引き離した一方の磁石片７を再度接着剤１０に押し付けて磁石片７相互を結合する。

これにより、粒子１１を四隅に確実に配置してスペーサの機能を維持できるとともに、第１の実施形態に比較して、高価なガラスビーズで構成する粒子１１の使用量を削減してコスト低下を達成することができる。また、第１の実施形態に対し、破断面７ａの面積を同等とした場合に、接着剤１０の量が増大するので磁石片７相互の結合をより強固なものとすることができる。

また、本実施形態によれば、粒子１１を少なくとも３個分散して配置し、このうち１個は、他の２個同士を結ぶ直線上からずれた位置に配置することで、３個の粒子１１が３角形の３つの頂点位置となるようにすれば、スペーサの機能を維持することが可能である。

なお、磁石片７相互を結合固定する際に安定させるためには、図７に示すように破断面７ａの四隅に粒子１１を配置することが望ましい。

そして、前記第１の実施形態または第２の実施形態により製造した界磁極用永久磁石３を、図１に示すように鉄心１に取り付けてロータを構成し、該ロータをモータなどの回転電機に使用することで、回転電機の高性能化を達成することができる。

１ 鉄心
３ 界磁極用永久磁石
５ 界磁極用永久磁石材料
５ａ 界磁極用永久磁石材料の溝
７ 磁石片
７ａ 磁石片の破断面（分割面）
９，９Ａ 絶縁性部材
１０ 接着剤
１１ 非導電性の粒子
Ｇ Ｇａ 破断面の粗さ曲線
Ｈ 粗さ曲線の凹凸の１周期

Claims (9)

1. 界磁極用永久磁石材料を複数の磁石片に分割し、この複数の磁石片同士を絶縁性部材により結合することで一体化した界磁極用永久磁石であって、前記複数の磁石片は、前記界磁極用永久磁石材料を破断により分割したものであり、
   前記絶縁性部材は接着剤と粒子とを有し、前記粒子の直径は、前記複数の磁石片の破断による分割面の十点平均粗さの１／２以下で、かつ、前記分割面の粗さ曲線における凹凸の１周期分の間隔の最小値の１／３以下であることを特徴とする界磁極用永久磁石。
2. 前記界磁極用永久磁石材料は、複数の磁石片に分割する分割位置の表面に溝を備えており、この溝の深さは、前記界磁極用永久磁石材料の厚さの１／１０００以上であることを特徴とする請求項１に記載の界磁極用永久磁石。
3. 前記溝の形状は、Ｖ字形状としてその開き角度を９０度以下としたことを特徴とする請求項２に記載の界磁極用永久磁石。
4. 前記絶縁性部材は接着剤と粒子とを有し、前記粒子は、前記複数の磁石片相互間の一部位に配置してあることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の界磁極用永久磁石。
5. 前記粒子を少なくとも３個分散して配置し、このうち１個は、他の２個同士を結ぶ直線上からずれた位置に配置してあることを特徴とする請求項４に記載の界磁極用永久磁石。
6. 界磁極用永久磁石材料を複数の磁石片に分割し、この複数の磁石片同士を絶縁性部材により結合することで一体化する界磁極用永久磁石の製造方法であって、前記絶縁性部材は接着剤と粒子とを有し、該粒子の直径が、前記複数の磁石片の破断による分割面の十点平均粗さの１／２以下で、かつ、前記分割面の粗さ曲線における凹凸の１周期分の間隔の最小値の１／３以下とされ、
   前記界磁極用永久磁石材料を破断により複数の磁石片に分割し、前記接着剤を前記複数の磁石片の破断による分割面に塗布した後、前記粒子を前記接着剤上の一部位に配置することを特徴とする界磁極用永久磁石の製造方法。
7. 前記界磁極用永久磁石材料の表面に、該界磁極用永久磁石材料の厚さの１／１０００以上の深さの溝を設け、この溝を起点として、前記界磁極用永久磁石材料を複数の磁石片に分割することを特徴とする請求項６に記載の界磁極用永久磁石の製造方法。
8. 前記溝を境にして界磁極用永久磁石材料の一方側を保持した状態で他方側を、前記保持した位置を支点として押圧することで、前記溝に対応する部位を破断させて分割し、この分割するときの前記他方側に対する押圧位置を、前記支点と反対側の端部から前記支点側に１．５ｍｍ以上離れた位置とすることを特徴とする請求項７に記載の界磁極用永久磁石の製造方法。
9. 請求項６ないし８のいずれか１項に記載の界磁極用永久磁石の製造方法によって製造した界磁極用永久磁石を、鉄心に取り付けたことを特徴とする永久磁石型回転電機。

Images