JP6314479B2 - 回転電機用ロータの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、電動モータおよび発電機として用いられる回転電機用ロータの製造方法に関するものである。

従来、回転電機には、ロータコアに永久磁石を埋め込み固定した、いわゆる埋込磁石型のロータを備えたものがある。このロータは、例えば、強磁性板を積層したロータコアに形成された軸方向に延在する直方体状のスロットに、直方体状の永久磁石を挿入し径方向と直交するように配置したものが知られている。こうした埋込磁石型のロータを備えた回転電機（以下、ＩＰＭモータという）では、永久磁石によるマグネットトルク（以下、磁石トルクという）のみならず、リラクタンストルクも利用することができる。例えば、特許文献１には、ロータコアの円周方向における複数箇所に等ピッチで配設された永久磁石を備えたＩＰＭモータが記載されている。しかし、ＩＰＭモータではロータコアの外周縁とスロットの端部との間の薄肉のブリッジ部において、ロータ回転トルクに寄与しない無効な漏れ磁束が発生する。そこで、例えば、特許文献２には、ブリッジ部を非磁性化して漏れ磁束を減少させたロータが提案されている。

特開２００４−３２９４７号公報 特開２００３−３０４６７０号公報

特許文献１に記載のＩＰＭモータは、電磁鋼板を打ち抜く金型によりロータコアに非対称の形状の突極が形成されている。したがって、設計変更などにより永久磁石や電磁鋼板のグレードを変更する場合、磁石トルクおよびリラクタンストルクの大きさが変化するので、ロータコアを製作するための金型を変更する必要があり、コスト高となる。また、ＩＰＭモータは、コギングトルクやトルクリップルが大きく、異音が発生しやすい。このため、特許文献２のようなロータにおいて、ブリッジ部を非磁性化した場合、発生トルクは多少増加するが、トルクリップルがさらに大きくなる。そこで、一般的に、トルクリップルを低減するためにロータにスキューを設ける場合がある。しかしながら、埋込磁石型のロータコアでは、直方体状のスロットに直方体状の永久磁石を埋め込むため、ロータにスキューを設けることは困難であり、コギングトルクやトルクリップルを低減することが難しい。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、永久磁石が埋め込まれたロータコアの外周面の一部が膨らんだ変形部を形成することにより高トルクを得ることができるとともに、ロータにスキューを設け、コギングトルク、トルクリップルを低減できる回転電機用ロータの製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、複数枚の積層された強磁性板により形成され、軸方向にスロットが形成されたロータコアと、前記スロットに収容された永久磁石と、を備えた回転電機用ロータであって、前記ロータコアが、コア本体部と、前記スロットの径方向外側に位置する外周磁性体領域と、前記コア本体部の外周縁と前記外周磁性体領域の周方向端とを接続し前記スロットの端部の径方向外側に位置するブリッジ部と、を備えている回転電機用ロータの製造方法であり、内孔の内周面の一部分に凹んだ凹部が形成された治具で前記ロータコアの外径を拘束し固定する工程と、前記スロットに樹脂を充填することにより、前記外周磁性体領域の外径部に一部分が膨らんだ変形部を形成する工程と、を備えたことを要旨とする。

上記構成によれば、ロータコアの外径を内孔の内周面に凹部が設けられた治具で拘束し、ロータコアのスロットに樹脂を充填することにより、ロータコアの外周磁性体領域の外径部が充填圧により塑性変形し膨らんだ変形部が形成される。これにより、磁束分布が変化し磁石トルクのピーク位相がずれ一方向の回転方向に対し高いトルクを得ることができる。さらに、外周磁性体領域の変形部にスキューを設けることによりロータコアの軸線方向に積分した周方向の磁束密度分布の形状を正弦波状に近づけることができるので、コギングトルクやトルクリップルを低減でき、異音の発生を抑制することができる。

本発明によれば、永久磁石が埋め込まれたロータコアの外周面の一部が膨らんだ変形部を形成することにより高トルクを得ることができ、ロータにスキューを設けることにより、コギングトルク、トルクリップルを低減できる回転電機用ロータの製造方法を提供できる。

本発明の第１の実施形態に係る回転電機用ロータの平面図。 図１の回転電機用ロータの電気角と回転電機用ロータに発生するトルクの関係を示す図。 （ａ）は、ロータコアに外径拘束用治具を嵌め込んだ状態を示す平面図、（ｂ）は、ロータコア成形後の状態を示す平面図。 本発明の第２の実施形態に係る回転電機用ロータの上端面の平面図。 図４の回転電機用ロータを同じ方向から見た下端面の平面図。 図４，５の回転電機用ロータの側面図。

以下に、本発明の実施形態の回転電機に用いられる回転電機用ロータ１について、ＩＰＭモータのロータの図に基づいて説明する。なお、以下の説明において、径方向および軸線方向とは、回転電機用ロータ１（ロータコア２）の半径方向および軸方向を指す。

（１．回転電機用ロータの第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る回転電機用ロータ１の平面図である。
回転電機は、例えば、車両に搭載され、ステアリング操作を補助する電動パワーステアリング装置や油圧を発生させる電動オイルポンプ装置の駆動源用の電動モータとして用いられる。図１に示すように、回転電機用ロータ１は、図示しない回転電機（本実施形態では、ＩＰＭモータ）の回転軸と一体回転可能に固定される円柱状のロータコア２と永久磁石３とを備えて構成される。ロータコア２には、複数（本実施形態では、４つ）の永久磁石３がロータコア２内にそれぞれ埋設されて固定されている。すなわち、本実施形態の回転電機用ロータ１は、いわゆる埋込磁石型のロータとして構成されている。このように構成された回転電機は、図示しないステータの各コイルに駆動電力が供給されることにより形成される磁界と、永久磁石３の磁束との間に生じる磁気的な吸引力および反発力により回転電機用ロータ１が回転する構成となっている。

ロータコア２は、鉄や電磁鋼板などの軟磁性材料からなり、回転電機の回転軸が挿入される挿入孔６を有する略円柱状に形成されている。ロータコア２には、略長方形板状の永久磁石３がそれぞれ内部に配置される複数のスロット５が形成されている。なお、本実施形態のスロット５は、それぞれ永久磁石３の断面形状と略同一の断面形状を有する孔（空洞）状に形成されている。

図１に示すように、永久磁石３は、コア本体部２０の外周縁２１の近傍に９０度間隔で軸線方向に貫通形成された４つのスロット５にそれぞれ収容され、ロータコア２に固定保持されている。４つのスロット５は、矩形状開口部５１、および矩形状開口部５１の両端からコア本体部２０の外周縁２１に向ってそれぞれ延びる台形状開口部５２で構成されている。台形状開口部５２は、磁気に対するエアギャップとして形成されている。

ロータコア２は、コア本体部２０と、スロット５の矩形状開口部５１の径方向の内周部の径方向外側に位置する外周磁性体領域２３と、コア本体部２０の外周縁２１と外周磁性体領域２３の周方向端とを接続し、スロット５の台形状開口部５２の径方向の内周部の径方向外側に位置するブリッジ部２２とを備えて構成されている。ブリッジ部２２は、全体が非磁性化されている（図１において、粗い目の網掛け部分）。ここで、非磁性化とは、比透磁率が１となる完全な非磁性化、および比透磁率が電磁鋼板の比透磁率よりも低い弱磁性化を含む。

永久磁石３は、周方向において一方の極性（例えば、Ｎ極）の永久磁石３が、他方の極性（例えば、Ｓ極）の永久磁石３に隣り合うように磁化（着磁）されている。永久磁石３は、それぞれの板厚方向と略沿う方向に磁化されており、コア本体部２０および外周磁性体領域２３は、それぞれロータコア２の外周縁２１を通過する永久磁石３の磁束の磁路となっている。なお、本実施形態の永久磁石３には、焼結磁石（例えば、ネオジム焼結磁石など）が用いられており、永久磁石３は、スロット５内に配置固定された後に着磁されるようになっていてもよいし、先に着磁したものをスロット５内に配置固定してもよい。

外周磁性体領域２３には、一方向の回転方向Ｒにおける前半部（前方）に磁極の外周側の一部分が塑性変形により膨らんだ変形部２５が形成されている。このとき、スロット５内に充填された樹脂により樹脂部２６が形成される。この変形部２５を形成することにより、図１に示すように、等価的に磁石トルクのピーク位相（シフト前、図示矢印破線）をロータコア２の円周方向（ロータコア２の回転方向Ｒ）に図示矢印実線までシフトさせることができる。

図２は、図１の回転電機用ロータ１の電気角と回転電機用ロータ１に発生するトルクの関係を示す図である。図１に示すように、磁石トルクのピーク位相をロータコア２の円周方向にシフトさせ、図２に示すように、磁石トルク（シフト前、図示一点鎖線）の位相を図示矢印ａ方向にシフトさせて磁石トルクのピーク位相（シフト後、図示破線）をリラクタンストルク（図示実線）のピーク位相に近付けることができる。この結果、磁石トルクおよびリラクタンストルクの合成トルク（シフト前、図示破線）を高めることができる（シフト後、図示実線太線）。磁石トルクのピーク位相のシフト量は、変形部２５の径方向の幅、周方向の位置などにより任意に設定することができる。シフト前後のモータトルクが同一のときには、磁石使用量を低減することができ、さらに小型化、低コスト化を図ることができる。

次に、回転電機用ロータ１の製造方法について図３（ａ），（ｂ）を参照して説明する。図１に示すように、永久磁石３は、ロータコア２の軸線方向に直線状に形成されている。ここで、ロータコア２は、例えば、表面に絶縁処理が施された珪素鋼板などを用いた電磁鋼板を打ち抜いて所定の形状に形成された複数枚の薄板状のロータプレート４が回転電機用ロータ１の軸線方向に積層固定された積層体である。

具体的には、ロータコア２を形成する各ロータプレート４を転積し、すなわち、ロータプレート４の向きを回転させて軸線方向に積層し、複数（本実施形態では、４つ）のスロット５を形成する（積層工程）。このスロット５に永久磁石３が挿入固定されている。そして、ロータコア２の外径部を内孔の内周面の一部分に凹んだ凹部３1が形成された円筒状の外径拘束用治具３０で拘束し固定する（固定工程）。永久磁石３の周囲の空隙に樹脂が充填され、ロータコア２が成形（成形工程）後、円筒状の外径拘束用治具３０がロータコア２から外された後に、スロット５内に配置された永久磁石３が着磁されるようになっている（着磁工程）。

図３（ａ）は、ロータコア２に外径拘束用治具３０を嵌め込んだ状態を示す平面図、図３（ｂ）は、ロータコア２成形工程後の状態を示す平面図である。図３（ａ）に示すように、外径拘束用治具３０は、金属材料（例えば、鉄など）からなり円筒状に形成されている。内孔の内周面の一部分に軸線方向に平行に凹んだ４つの凹部３１が形成されている。そして、円柱状のロータコア２の外周に凹部３１の隙間を有して外径拘束用治具３０が嵌め込まれる。

図３（ｂ）に示すように、永久磁石３を挿入固定後に台形状開口部５２に樹脂が充填され、このときのスロット５にかける矢印で示す径方向内側から外側に向かう圧力（充填圧）によりロータコア２が塑性変形する。外周磁性体領域２３の外径部が塑性変形し、外径拘束用治具３０の凹部３１の形状に倣って軸線方向に平行な膨らんだ変形部２５が形成される。このとき、充填された樹脂により樹脂部２６が形成される。

（２．回転電機用ロータの第２の実施形態）
次に、図４は、本発明の第２の実施形態に係る回転電機用ロータ１の上端面の平面図、図５は、図４の回転電機用ロータ１を同じ方向から見た下端面の平面図である。図４および図５に示すように、変形部２５にロータコア２の端面から軸線方向に向うスキューが設けられている。ここで、図４の上端面および図５の下端面における変形部２５の頂点は、それぞれＰ１、Ｐ２として表わされる。本実施形態において、上端面の変形部２５の頂点Ｐ１と中心軸Ｊ１とを結ぶ直線Ｃ１（図４参照）と、下端面の変形部２５の頂点Ｐ２と中心軸Ｊ１とを結ぶ直線Ｃ２（図５参照）とのなす角度でスキューが設けられている。また、充填された樹脂により樹脂部２６が形成される。

図６は、図４，５の回転電機用ロータ１の側面図である。図６に示すように、ロータコア２は、電磁鋼板からなる薄板円盤状の強磁性板であるロータプレート４が複数枚軸線方向に積層されて構成されている。変形部２５には、ロータコア２の端面から軸線方向に向うスキューが設けられ、上端面の頂点Ｐ１と下端面の頂点Ｐ２とを所定の角度を有して結ぶ直線状のスキュー２４として表わされる。

次に、回転電機用ロータ１の製造方法について説明する。第２の実施形態の回転電機用ロータ１の製造方法は、図３（ａ）および（ｂ）に示す第１の実施形態の回転電機用ロータ１と基本的な製造方法は同一であるが、以下の点で異なる製造方法となっている。

具体的には、図３（ａ）を参照して、外径拘束用治具３０は、金属材料（例えば、鉄など）からなり円筒状に形成されている。内孔の内周面の一部分に軸線方向に平行に凹んだ４つの凹部３１が形成され、この凹部３１に直線状のスキューが設けられている。そして、円柱状のロータコア２の外周に凹部３１の隙間を有して外径拘束用治具３０が嵌め込まれる。

次に、図３（ｂ）を参照して、永久磁石３を挿入固定後に台形状開口部５２に樹脂が充填され、このときのスロット５にかける矢印で示す径方向内側から外側に向かう圧力（充填圧）によりロータコア２が塑性変形し、外周磁性体領域２３の外径部が膨らむ。外径拘束用治具３０の凹部３１の形状に倣って膨らんだ変形部２５が形成され、変形部２５に所定の角度を有してスキュー（図４〜６参照）が設けられる。

ここで、磁束密度分布の軸線方向の積分値が正弦波状に近くなるようにスキュー角度を設けるのが望ましい。スキュー形状は、本実施形態の直線状のスキュー２４（図６参照）に限らず、曲線状に設けられたものであってもよい。また、変形部２５成形前の初期のロータコア２の平面形状も、あらかじめ磁極（外周磁性体領域２３）の中央部が径方向外側に突出した、いわゆる花びら形状を有していてもよい。この場合、樹脂充填により花びら形状に凹部３１のスキュー形状が合成された変形部２５が形成され、軸線方向積分の磁束密度分布をより正弦波状に近づけることができる。

また、ロータコア２の外周縁２１に発生している磁束密度を、例えば、ロータコア２の外周縁２１を全周にわたり磁気センサ（例えば、ホール素子など）を用いて周方向にスキャンすることにより計測することができる。具体的には、変形部２５の頂点よりも外径側（例えば、０．８ｍｍ）に磁気センサを配置し、回転電機用ロータ１を回転させて測定する。変形部２５にスキューを設けたときの磁束密度分布は、軸線方向の各位置における磁束密度を取得し、回転電機用ロータ１の端面から軸線方向（例えば、上端面から下端面に）に向って各磁束密度分布を積分する（足し合わせる）ことにより求めることができる。

この場合、ブリッジ部２２を非磁性化した回転電機用ロータ１においては、軸線方向の任意の位置でロータコア２の外周縁２１に発生している磁束密度は、例えば、Ｓ極とＮ極との中間点（図３（ｂ）に示す機械角θが４５度の点）を境に急激に上昇した後、Ｎ極とＳ極との中間点（図３（ｂ）に示す機械角θが１３５度の点）を境に急激に減少するというサイクルを４極（永久磁石３が４つ）の場合は機械角θが９０度変化する毎に繰り返す。そして、変形部２５の形状を変化させることで磁束密度のピーク値をもつ角度を変化させることができる。これにより、周方向の磁束密度分布を任意の形状で変化させることが可能になる。さらに、上記のスキューを設けることにより磁束密度分布の軸線方向の積分値を正弦波状に近づけることができる。

次に、上記のように構成された本発明の実施形態に係る回転電機用ロータ１の作用および効果について説明する。

上記第１の実施形態によれば、内孔の内周面に一部分が凹んだ軸線方向に平行に直線状に凹部３１が形成された外径拘束用治具３０をロータコア２の外周に嵌め込み、接触させる。そして、各スロット５の台形状開口部５２に樹脂が充填され、このときスロット５における径方向内側から外側に向かう圧力によりロータコア２が塑性変形し、外周磁性体領域２３の外周面の円弧の一部分が膨らみ凹部３１の形状に倣って膨らんだ変形部２５が軸線方向に平行に形成される。したがって、ロータコア２の永久磁石３の径方向外側に位置する外周磁性体領域２３に塑性変形により外周面の一部分が膨らんだ変形部２５を形成することにより、ロータコア２の外周磁性体領域２３の外径部における周方向の磁束密度分布を任意の形状で変化させることができる。これにより、ロータコア２の周方向の磁束密度分布の形状を正弦波状に近づけることができるので、コギングトルクやトルクリップルを低減でき、異音の発生を抑制することができる。

この変形部２５は、ロータコア２の円周方向に永久磁石３の中心より一方向の回転方向Ｒにおける前半部に形成されているので、磁束分布を変化させ回転電機用ロータ１の一方向の回転方向Ｒに対し磁石トルクのピーク位相を回転方向前方にシフトさせてリラクタンストルクのピーク位相に近付けることができる。この結果、磁石トルクとリラクタンストルクの合成トルクを向上させ高いトルクを得ることができる。さらに、シフト前後のＩＰＭモータのトルクが同一のときは、永久磁石３の使用量を低減することができ、さらに小型化、低コスト化を図ることができる。

また、上記第２の実施形態によれば、凹部３１にスキューが設けられた外径拘束用治具３０をロータコア２の外周に嵌め込み、接触させる。そして、各スロット５の台形状開口部５２に樹脂が充填され、このときスロット５にかける径方向内側から外側に向かう圧力によりロータコア２が塑性変形し、外周磁性体領域２３の外径部が膨らみ凹部３１の形状に倣って膨らんだ変形部２５が形成される。このとき、この変形部２５に所定の角度を有してスキュー２４が設けられる。

したがって、ロータコア２の両端面の磁極のピーク（または平均、または重心）位置がずれるように変形部２５に軸線方向にスキュー２４を設けることにより、軸線方向の各位置における周方向の磁束密度分布を任意の形状で変化させることができる。これにより、ロータコア２の外周磁性体領域２３の外径部における磁束密度分布の軸線方向の積分値を正弦波状に近づけることができるので、コギングトルクやトルクリップルを低減でき、異音の発生を抑制することができる。さらに、ブリッジ部２２を比透磁率が１（非磁性化）となるように形成することができるので、ブリッジ部２２における漏れ磁束を減少させることができる。

以上のように、本発明の実施形態によれば、永久磁石が埋め込まれたロータコアの外周面の一部が膨らんだ変形部を形成することにより高トルクを得ることができ、ロータにスキューを設けることにより、コギングトルク、トルクリップルを低減できる回転電機用ロータの製造方法を提供することができる。

以上、本発明に係る実施形態について説明したが、本発明はさらに他の形態で実施することも可能である。

上記実施形態では、永久磁石３の軸線方向両端面（図４の上端面および図５の下端面）の位相（位置関係）は同じであったが、これに限らず、回転電機用ロータ１の周方向にずれて成形配置されていてもよい。

上記実施形態では、永久磁石３の径方向断面形状は、略長方形板状であったが、これに限定されるものでなく、略逆円弧状や中心軸Ｊ１から径方向外側に放射状に延びる平板状の形状を有した永久磁石でもよい。

また、上記実施形態では、永久磁石３は、均一な板厚の平板で成形されていたが、これに限定されるものでなく、永久磁石３の断面形状は逆Ｕ字形または扁平な台形状でもよい。

上記実施形態では、永久磁石３にネオジム焼結磁石を用いたが、これに限定されるものでなく、例えば、ボンド磁石（例えば、プラスチックマグネット、ゴムマグネットなど）を用いてもよい。ボンド磁石の場合は、スロット５にボンド磁石を充填するときの圧力により外径部が膨らみ凹部３１の形状に倣わせる。すなわち、上記実施形態における樹脂と焼結磁石との組み合わせをボンド磁石に置き換えて回転電機用ロータを形成することができる。

また、上記実施形態において、ロータコア２は、永久磁石３の形状に合わせて珪素鋼板を用いた電磁鋼板を積層して形成されていたが、これに限定されるものでなく、圧粉磁心を用いてもよい。

上記実施形態では、本発明を電動パワーステアリング装置や電動オイルポンプ装置などの駆動源に用いられる電動モータに具体化したが、これに限定されるものでなく、他の装置の駆動源用モータとして用いてもよく、また、発電機として用いてもよい。

１：回転電機用ロータ、２：ロータコア、３：永久磁石、４：ロータプレート、
５：スロット、６：挿入孔、２０：コア本体部、２１：ロータコア外周縁、
２２：ブリッジ部、２３：外周磁性体領域、２４：直線状スキュー、２５：変形部、
２６：樹脂部、３０：外径拘束用治具、３１：凹部、５１：矩形状開口部、
５２：台形状開口
Ｊ１：中心軸、Ｐ１，Ｐ２：端面の頂点、Ｃ１，Ｃ２：スキュー角度直線、θ：機械角、Ｒ：回転方向

Claims (1)

1. 複数枚の積層された強磁性板により形成され、軸方向にスロットが形成されたロータコアと、前記スロットに収容された永久磁石と、を備えた回転電機用ロータであって、
   前記ロータコアが、
   コア本体部と、前記スロットの径方向外側に位置する外周磁性体領域と、前記コア本体部の外周縁と前記外周磁性体領域の周方向端とを接続し前記スロットの端部の径方向外側に位置するブリッジ部と、を備えている回転電機用ロータの製造方法であり、
   内孔の内周面の一部分に凹んだ凹部が形成された治具で前記ロータコアの外径を拘束し固定する工程と、前記スロットに樹脂を充填することにより、前記外周磁性体領域の外径部に一部分が膨らんだ変形部を形成する工程と、を備えたことを特徴とする回転電機用ロータの製造方法。

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