JP5692105B2 - Ｉｐｍモータ用ロータの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、IPMモータ用ロータの製造方法にかかり、特にロータに開設された磁石用スロット内に永久磁石を固定する方法に特徴を有するIPMモータ用ロータの製造方法に関するものである。

永久磁石をロータ内部に埋め込んでなる磁石埋め込み型モータ（以下、IPMモータという）は、コイルと永久磁石の吸引力／反発力に起因するマグネットトルクに加えてリラクタンストルクを得ることができるため、永久磁石をロータ外周面に貼着してなる表面磁石型モータ（SPMモータ）に比して高トルクかつ高効率である。したがって、このIPMモータは、高出力性能が要求されるハイブリット車や電気自動車の駆動用モータ等に使用されている。なお、この永久磁石としては、希土類磁石やフェライト磁石、アルニコ磁石等の焼結磁石が一般に用いられている。

上記するIPMモータでは、ロータコア、ステータコアの双方がともに、内部で生じ得る渦電流損失を可及的に低減するべく、電磁鋼板等の鋼板を所望高さまで積層してかしめ等することにより、磁束通過面積が可及的に小さくなるように調整されたロータコアとステータコアが使用されている。

さらに、ロータコアに形成された磁石用スロットへの永久磁石のスムーズな挿入とスロットエッジにて永久磁石が破損するのを回避するために、該スロットの平面寸法（ロータコアを上方から見た際の磁石用スロットの平面寸法）を永久磁石のそれよりも大寸法に設定しておき、非磁性素材の樹脂を磁石用スロットと永久磁石の間の隙間に充填し、硬化させて永久磁石を固定する方法が一般に用いられている。

しかしながら、磁石用スロットの寸法が永久磁石よりも大きく、隙間に充填された非磁性樹脂材によって永久磁石が押されるために、永久磁石のいずれかの側面と磁石用スロットのいずれかの壁面が接触した状態で永久磁石が磁石用スロット内で固定されることが往々にしてある。そして、このように永久磁石と磁石用スロットの壁面が接触した状態で永久磁石がスロット内固定されると、ロータコアを構成する積層姿勢の鋼板同士が永久磁石によって相互に通電可能状態となってしまい、結果として渦電流損失が増加し得るという課題に繋がってしまう。

ここで、特許文献１には、マグネット単体での絶縁皮膜処理を不要としながら、ロータコアに組み込まれた時の絶縁性を確実に確保することのできる永久磁石式同期モータのロータが開示されている。より具体的には、ロータコアに予め形成されたマグネット穴にエポキシ樹脂やシリコーン樹脂を基材とする接着剤を介してマグネットを挿入して接着固定するものであり、ここで、接着剤には少なくともマグネット表面の表面粗さ測定における最大高さの２倍以上の粒径の非導電性材料の粒子として例えばガラスビーズやセラミックス粒子を予め混合しておき、接着剤層が混合粒子の粒径以下とならないようにするものである。

しかしながら、特許文献１で開示の技術においても、相対的に大寸法の磁石用スロット内に永久磁石を挿入して樹脂固定するに当たり、永久磁石がスロット壁面と接触しないようにしてスロット内で固定することを保証することはできず、双方が接触することによって渦電流損失が増加するという課題解消には至らない。

特開２００２−２７２０３３号公報

本発明は、上記する問題に鑑みてなされたものであり、ロータに形成された相対的に大寸法の磁石用スロット内に永久磁石が挿入されてなるIPMモータ用ロータに関し、スロット壁面と永久磁石が非接触状態で永久磁石のスロット内固定を保証することができ、もって双方が接触した状態で永久磁石がスロット内固定される際の渦電流損失増加を解消することのできるIPMモータ用ロータの製造方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成すべく、本発明によるIPMモータ用ロータの製造方法は、鋼板が積層してなるロータコアに開設されている磁石用スロット内に永久磁石が埋設されて形成されたIPMモータ用ロータの製造方法であって、前記磁石用スロット内に該磁石用スロットよりも平面寸法が相対的に小さな永久磁石を挿入し、交番磁界を印加して永久磁石を振動させながら永久磁石固定用の非磁性樹脂材を永久磁石と磁石用スロットの壁面の間の隙間に充填し、非磁性樹脂材を硬化させて永久磁石を磁石用スロット内に固定するものである。

本発明のIPMモータ用ロータの製造方法は、従来構造のものと同様に、磁石用スロット内に該磁石用スロットよりも平面寸法（ロータコアを上方から見た際の平面寸法）が相対的に小さい永久磁石を挿入し、非磁性樹脂材にて永久磁石をスロット内固定してIPMモータ用ロータを製造するに当たり、永久磁石に交番磁界を印加して永久磁石を振動させながら非磁性樹脂材を硬化させるものである。このことにより、永久磁石を磁石用スロットの中央位置もしくは中央近傍位置、すなわち、磁石用スロットのいずれの壁面とも永久磁石が接触しない位置に永久磁石を位置決めしてスロット内固定をおこなうことが可能となる。

スロット内の永久磁石に交番磁界を印加することで、永久磁石は振動しながらスロット壁面のうちのステータ側の壁面に接触したり、逆にスロット壁面のうちのロータ回転シャフト側の壁面に接触したりしながら、すなわち、双方のスロット壁面に交互に接触するように繰返し移動をおこない、この永久磁石の繰返し移動の過程でスロット内に充填された非磁性樹脂材が永久磁石の周囲に回り込んでいく。一定時間が経過すると永久磁石の周囲に回り込んだ非磁性樹脂材が硬化し始め、これが徐々に硬化することによって永久磁石は結果的にスロットの中央位置もしくはその近傍で固定されることになる。

このように、スロット内に挿入された永久磁石に交番磁界を印加して振動させ、この振動によってスロット内に充填された非磁性樹脂材を永久磁石とスロット壁面の間に十分に回り込ませ、非磁性樹脂材の硬化によって永久磁石をスロット中央位置に固定することにより、永久磁石とスロット壁面との接触が解消され、双方の接触に起因する渦電流損失増加を抑止することができる。

ここで、上記する本発明のロータに埋設される永久磁石は、希土類磁石やフェライト磁石、アルニコ磁石等を包含するものであり、希土類磁石としては、ネオジムに鉄とボロンを加えた３成分系のネオジム磁石、サマリウムとコバルトとの２成分系の合金からなるサマリウムコバルト磁石、サマリウム鉄窒素磁石などを挙げることができる。また、スロット内で永久磁石を固定する非磁性樹脂材としては、エポキシ樹脂やポリプロピレンなどを挙げることができる。

上記する本発明の製造方法によって製造されたIPMモータ用ロータは、磁石用スロット壁面と永久磁石の接触が解消され、双方が接触することに起因する渦電流損失が抑止されていることから、トルク性能や回転性能、モータ効率に優れたIPMモータを構成するロータとなる。したがって、このロータを具備するIPMモータは、近時その生産が拡大しており、高性能な駆動用モータの車載が急務の課題となっているハイブリッド車や電気自動車に好適である。

以上の説明から理解できるように、本発明のIPMモータ用ロータの製造方法によれば、永久磁石に交番磁界を印加して永久磁石を振動させながら非磁性樹脂材を硬化させることにより、永久磁石の振動によって永久磁石と磁石用スロット壁面の間に非磁性樹脂材が十分に回り込んで硬化することとなり、永久磁石を磁石用スロットの中央位置もしくは中央近傍位置、すなわち、磁石用スロットのいずれの壁面とも永久磁石が接触しない位置に永久磁石を位置決めしてスロット内固定をおこなうことができるため、磁石用スロット壁面と永久磁石の接触が解消され、双方が接触することに起因する渦電流損失を効果的に抑止することができる。

本発明のIPMモータ用ロータの製造方法を説明した模式図である。 図１に続いて製造方法を説明した模式図である。 交番磁界の励磁開始から非磁性樹脂材の硬化までの時間経過における磁石用スロット内における永久磁石の位置の変動を説明した図である。 （ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）はそれぞれ、図３中のａ、ｂ、ｃ、ｄにおける磁石用スロット内の永久磁石の平面的な位置を模擬した図である。 製造されたIPMモータ用ロータを模擬した図である。 従来法と本発明の方法のそれぞれの場合の磁石用スロット内における永久磁石の位置とその頻度に関する測定結果を示す図である。

以下、図面を参照して本発明のIPMモータ用ロータの製造方法の実施の形態を説明する。なお、図示例はロータコアの一部を破断して説明したものであり、ロータコアに開設された磁石用スロット内における永久磁石の固定が全て完了することで本発明の製造方法が完了するものであることは勿論のことである。そして、図示するように１つの磁極を形成する平面視Ｖの字状の２つの永久磁石が４つ、すなわち、２つの磁極を形成する４つの永久磁石に対して磁束の閉回路を形成するようにして４つの永久磁石を一度に磁石用スロット内固定した後、図示する励磁コイル付きのヨークを隣接する２つの磁極に移動して同様に永久磁石の固定をおこない、これを周方向に繰り返して永久磁石の固定をおこなう方法であってもよいし、図示する励磁コイル付きのヨークを対応する２つの磁極に配設し（たとえば全部で８つの磁極（１６の永久磁石）の場合に、４つのヨークを対応する２つの磁極に配設する）、複数のヨークそれぞれの励磁コイルに同時に通電してロータコアの磁石用スロット内に収容された全ての永久磁石に対して一度にスロット内固定をおこなう方法であってもよい。さらに、図示例は平面視Ｖの字状の２つの永久磁石で１つの磁極を形成するものであるが、図示例の永久磁石の長手方向の辺がステータ側に正対して１つの磁極を形成する形態であってもよいことは勿論のことである。

（IPMモータ用ロータの製造方法の実施の形態）
図１〜図５はその順で本発明のIPMモータ用ロータの製造方法のフロー図となっている。その中で、図３は交番磁界の励磁開始から非磁性樹脂材の硬化までの時間経過における磁石用スロット内における永久磁石の位置の変動を説明した図であり、図４ａ，ｂ，ｃ，ｄはそれぞれ、図３中のａ、ｂ、ｃ、ｄにおける磁石用スロット内の永久磁石の平面的な位置を模擬した図である。

図示するロータコア１０は、円盤状の電磁鋼板１，…が積層されて全体がかしめ等されることで形成されており、このロータコア１０の中央位置にはロータシャフト孔１０ｃが開設されており、その周縁部には、１つの磁極を構成する２つの磁石用スロット１０ａ，１０ａが平面視で略Ｖの字状に形成され、これが磁極数だけ設けられてその全体が大略構成されている。なお、図１は、２つの磁極の領域のみを抜き出して図示したものである。

図示するように、４つの永久磁石から構成される２つの磁極との間で磁束流れの閉回路を形成するように、平面視が略Ｃの字状のヨーク４と、ヨーク４に磁界を発生させる（磁気流れは図２に示すＸ１方向）励磁コイル５，５と、励磁コイル５に電流を通電する交流電源６とからなる永久磁石振動装置７をヨーク４の２つの端部が２つの磁極に対応するようにして配設する。

図１で示すように、平面視において、平面視矩形の磁石用スロット１０ａの平面寸法よりも小寸法でやはり平面視矩形の永久磁石２が磁石用スロット１０ａ内に挿入される。

ここで、永久磁石２は、希土類磁石やフェライト磁石、アルニコ磁石等を包含するものであり、希土類磁石としては、ネオジムに鉄とボロンを加えた３成分系のネオジム磁石、サマリウムとコバルトとの２成分系の合金からなるサマリウムコバルト磁石、サマリウム鉄窒素磁石などを挙げることができる。中でも、希土類磁石はフェライト磁石やアルニコ磁石に比して最大エネルギー積（ＢＨ）_ｍａｘが高いことから、高出力が要求されるハイブリッド車等の駆動用モータへの適用に好適である。

次に、図２で示すように、交流電源６をONして励磁コイル５に通電して交番磁界を閉回路に形成した状態で、永久磁石２と磁石用スロット１０ａの間の隙間に永久磁石固定用の非磁性樹脂材３を充填する。

ここで、非磁性樹脂材３の素材としては、エポキシ樹脂やポリプロピレン、ポリエチレンナフタレート、ポリフェニレンサルファイド、ポリイミドなどが挙げられ、さらに、放熱性を一層高めるためにフィラーを混合する場合には、シリカ、アルミナ、窒化ホウ素、窒化ケイ素、炭化ケイ素、酸化マグネシウムなどのフィラーが混合された樹脂素材からなる。

非磁性樹脂材３を磁石用スロット１０ａ内に充填した当初は、図２で示すように、非磁性樹脂材３によって永久磁石２が磁石用スロット１０ａのいずれかの壁面側に押し付けられた状態となり易い。

図３を参照して時間経過における永久磁石の位置の変動を説明すると、励磁開始前の（ａ）点では、図４ａで示すように永久磁石２は磁石用スロット１０ａ内の任意位置にあり、励磁開始によって逆方向の磁界が交互に閉回路内に形成され、磁界の方向に起因して永久磁石２は磁石用スロット１０ａ内でステータ側の壁面への接触（図３の（ｂ）点を模擬した図４ｂ）とロータ中央側の壁面への接触を繰り返すように振動する。

図３の（ｂ）点で非磁性樹脂材３の磁石用スロット１０ａ内への注入を開始すると、磁石用スロット１０ａ内では永久磁石２が振動しているために注入された非磁性樹脂材３が永久磁石２の周りに入り込み（図３の（ｃ）点を模擬した図４ｃ参照）、永久磁石２は徐々に磁石用スロット１０ａの中央位置に移動していく。

注入された非磁性樹脂材３が徐々に硬化していくことで永久磁石２の振動は抑制され、最終的に非磁性樹脂材３が硬化した段階（図３の（ｄ）点を模擬した図４ｄ参照）では、永久磁石２の四方の側面と磁石用スロット１０ａの間の隙間を非磁性樹脂材３が万遍なく満たし、永久磁石２は磁石用スロット１０ａの中央もしくは中央近傍に位置決めされた状態で非磁性樹脂材３が硬化する。この非磁性樹脂材３の硬化によって永久磁石２の磁石用スロット１０ａ内への固定が完了し、図５で示すように各磁石用スロット１０ａ内に該磁石用スロット１０ａの壁面と接触しない態様で永久磁石２が非磁性樹脂材３にて固定されてなるIPMモータ用ロータ１００が製造される。

図示する本発明の製造方法によれば、永久磁石２を磁石用スロット１０ａの中央位置もしくは中央近傍位置、すなわち、磁石用スロット１０ａのいずれの壁面とも永久磁石２が接触しない態様で永久磁石２を位置決めしてスロット内固定をおこなうことができるため、磁石用スロット１０ａの壁面と永久磁石２の接触が解消され、双方が接触することに起因する渦電流損失を効果的に抑止することができる。このことにより、IPMモータ用ロータ１００は、トルク性能や回転性能、モータ効率に優れた不図示のIPMモータを構成するロータとなっている。

[従来法と本発明の方法のそれぞれの場合の磁石用スロット内における永久磁石の位置とその頻度を測定した結果]
本発明者等は、従来法、すなわち、交番磁界を印加することなく永久磁石を磁石用スロット内に固定する方法で複数のロータを試作するとともに、図示する本発明の方法でも複数のロータを試作し、磁石用スロット内における永久磁石の位置を測定した結果に基づいて位置ごとの頻度を求めた。なお、図６は、従来法と本発明の方法のそれぞれの場合の磁石用スロット内における永久磁石の位置とその頻度に関する測定結果を示す図である。

測定の結果、従来法では、永久磁石の位置が中央側、ステータ側、ロータ中央側で均等にばらつき（その頻度は0.18）、したがって、7割程度の割合で永久磁石が磁石用スロットの壁面に接触した状態で固定されていることが確認されている。

一方、本発明の方法では、永久磁石の位置が中央位置に集中して正規分布的な傾向を示し（中央位置での頻度は0.40）、ステータ側やロータ中央側に偏って壁面に接触するような永久磁石は完全に解消されており、本発明の製造方法による効果が確認できる。

以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。

１…電磁鋼板、２…永久磁石、３…非磁性樹脂材、４…ヨーク、５…励磁コイル、６…交流電源、７…永久磁石振動装置、１０…ロータコア、１０ａ…磁石用スロット、１０ｂ…ステータ側端面、１０ｃ…ロータシャフト孔、１００…IPMモータ用ロータ

Claims (1)

1. 鋼板が積層してなるロータコアに開設されている磁石用スロット内に永久磁石が埋設されて形成されたIPMモータ用ロータの製造方法であって、
   前記磁石用スロット内に該磁石用スロットよりも平面寸法が相対的に小さな永久磁石を挿入し、交番磁界を印加して永久磁石を振動させながら永久磁石固定用の非磁性樹脂材を永久磁石と磁石用スロットの壁面の間の隙間に充填し、非磁性樹脂材を硬化させて永久磁石を磁石用スロット内に固定するIPMモータ用ロータの製造方法。

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