JP6429604B2 - 熱衝撃に強いボンド磁石を搭載したインナーロータ型モータ - Google Patents

Description

本発明はインナーロータ型モータに用いる新規なロータに関し、特に屋外での使用を想定した燃料ポンプ用モータのロータとして、低温−高温環境下の温度衝撃を経た後にあってもクラック発生を抑制できるロータに関する。

自動車や自動二輪車などにおける燃料ポンプの駆動源として、例えば特許文献１に示すようなロータ（回転子）の外側にステータ（固定子）を配置したインナーロータ型モータが知られている。
インナーロータ型モータのロータは、シャフトとスリーブ（ヨーク）と永久磁石より構成される。前記シャフトはスリーブに固定され、スリーブの外周側には多極着磁された永久磁石が接着剤や射出成形による一体成形などにより固定されてなる。

ところで自動車や自動二輪車は屋外で保管されることが多く、これらの燃料タンク内に設置される燃料ポンプ用モータには、冬季にエンジンを始動する際に零下での安定した動作が必要とされ、さらに夏季には高温下での動作が必要とされる。このように、自動車等の用途における燃料ポンプ用モータには、広い温度範囲において良好な動作が実現できることが一つの特性として求められる。このため、該モータを構成する各構成部品においても、幅広い温度環境下において破損等の不具合が生じないことが求められる。
例えば上述のインナーロータ型モータを構成するロータに使用する永久磁石においては、低温下における良好な可撓性を有し、そして幅広い温度領域において機械強度並びに磁石特性を保持できる性能が求められる。
特許文献２には、モータやセンサ等に使用可能な永久磁石材料として、低温環境下における可撓性や機械強度の向上を図ったボンド磁石組成物が提案されている。

特開２００６−１４１１１３号公報 特開２００５−３９２１８号公報

これまで提案されているモータ向けの永久磁石、例えば特許文献２に示すボンド磁石組成物を用いた射出成形ボンド磁石は、主に室内で使用される電気機器を想定した条件［例：８０℃（１時間保持）、−３０℃（１時間保持）、切り替わり時間１時間のサイクル］にて、ヒートサイクル試験やヒートショック試験が実施されている。ただし、屋外での使用を想定した場合には、上記のヒートサイクルに比べより過酷な温度条件下においても高度な品質を確保できる永久磁石であることが求められる。

本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討した結果、−４０℃における引張応力に対して一定以上の伸び率を有する磁石材料をロータの永久磁石として採用することにより、自動車等向けの燃料ポンプ用モータのインナーロータを想定したヒートショック試験において、クラックの発生が抑制できるロータとなることを見出し、本発明を完成させた。

すなわち本発明は、略円筒状のスリーブと、スリーブの内周に嵌挿したシャフトと、スリーブの外周に配置された永久磁石とを備えてなる永久磁石付ロータであって、前記永久
磁石は、磁石粉末と熱可塑性樹脂とを含み、スリーブの外周に射出成形により前記スリーブと一体になって形成され、前記永久磁石は、−４０℃における引張応力に対する伸び率が０．５７％以上であることを特徴とするロータに関する。
また本発明は、前記ロータを備えるインナーロータ型モータも対象とする。

本発明は、−４０℃における引張応力に対する伸び率が０．５７％以上の永久磁石を採用することにより、−４０℃〜１１０℃のヒートサイクル条件下における熱衝撃試験の実施後においても、外観（磁石）の割れを抑制できるロータを提供できる。

図１は、本発明のロータの構造を示す模式図である。 図２は、実施例で作製した磁石Ａ乃至磁石Ｇにおいて、評価２に示す１１０℃保存後の−４０℃環境下での引張試験の結果を示す図であり、１１０℃での保存時間に対する伸び率（％）を示す図である。

本発明は、燃料ポンプに使用されるインナーロータ型モータに用いる永久磁石付ロータに関する。
前述した通り、これまで提案されたロータにあっては、主に室内で使用される電気機器を想定した温度条件（−３０℃〜８０℃）にてヒートサイクル試験やヒートショック試験が実施され、前記ロータに使用される永久磁石として、この温度範囲において良好な機械特性や磁石性能を保持できる磁石の検討が為されてきた。
これに対し、屋外での使用を想定した燃料ポンプ及び燃料ポンプを構成する部品には、より過酷で急激な温度変化が想定される温度環境下において、具体的には［−４０℃（２時間）、１１０℃（２時間）（１サイクルの所要時間４時間）］を１サイクルとする熱衝撃試験を５００サイクル以上耐え得る性能を有することが求められる。

本発明に係るロータの構造を示す模式図を図１に示す。
図１に示すように、本発明のロータ１は、シャフト３と略円筒状のスリーブ２（ヨークとも称する）と永久磁石４を備えて構成される。前記シャフト３はスリーブ２の内周に嵌挿（圧入）され、スリーブ２に固定される。スリーブ２の外周面にはローレット加工等を施すことにより、後述する永久磁石４との密着面積を増加させることができる。スリーブ２とその外周に配置された永久磁石４は射出成形により一体になって形成される。前記永久磁石４は、その外周表面が極異方配向させてなる。

本発明のロータは、前記永久磁石として、−４０℃における引張応力に対する伸び率が０．５７％以上である磁石を採用した点を特徴とし、好ましくは伸び率が０．９％以上の磁石を用いることが望ましい。ここでいう伸び率とは、永久磁石より作製したダンベル状試験片を用いて、引張速度：１ｍｍ／分、試験温度：−４０℃下で実施した引張試験において、試料の切断時の伸び率（％、試験前の試料長さに対する試験後の試料長さ変化の割合）をいう。
前記永久磁石は、磁石粉末と熱可塑性樹脂とを含みて構成され、上述の引張応力に対する伸び率を有するものであれば特に限定されない。

中でも磁石特性を考慮すると、磁石粉末として希土類磁石系粉末を採用することが好ましく、また広範な温度範囲における可撓性の確保や機械強度等を考慮すると、熱可塑性樹脂に熱可塑性エラストマーを配合することが好ましい。
また、永久磁石の性能保持のために、従来知られている樹脂用の種々の添加剤を配合することができ、例えば本発明のロータの使用環境を考慮した場合、熱による劣化を防止す
べく酸化防止剤などを配合し得る。酸化防止剤はその機能に応じて、フリーラジカル捕捉機能を有する酸化防止剤と過酸化物分解機能を有する酸化防止剤に大別され、中でも過酸化物分解機能を有する酸化防止剤を採用することが好ましい。
例えば本発明のロータに用いる永久磁石としては、磁石粉末と熱可塑性樹脂と熱可塑性エラストマーと過酸化物分解機能を持つ酸化防止剤とを含みて構成されることが好ましい。

とりわけ前記永久磁石を構成する希土類磁石系粉末として、異方性ＳｍＦｅＮ磁石粉末を用いることが好ましい。
また前記熱可塑性樹脂及び熱可塑性エラストマーとしては、例えばポリアミド系樹脂及びポリアミド系エラストマーを採用することが好ましい。
また前記永久磁石において、前記熱可塑性樹脂と前記熱可塑性エラストマーを、例えば熱可塑性樹脂：熱可塑性エラストマー＝７０：３０〜６０：４０の質量比にて配合することが好ましい。
そして前記酸化防止剤は、前記熱可塑性樹脂と前記熱可塑性エラストマーの合計質量に対して例えば１乃至３質量％の割合にて配合することが好ましい。

また本発明のロータにおいて、前記略円筒状のスリーブはステンレス鋼製であることが好ましく、ＳＵＳ３０３製であることがより好ましい。
また前記シャフトもステンレス鋼製であることが好ましく、中でもＳＵＳ４４０Ｃ製であることが最も好ましい。
なお、前述の特許文献２に示すボンド磁石にあっては、スリーブ材として鉄を採用しヒートサイクル試験を実施している。鉄の線膨張係数は１２．１×１０^−６／Ｋと小さく、特に−４０℃下での鉄の収縮量はボンド磁石を構成する樹脂の収縮量よりも通常小さくなり、結果、低温側での樹脂の収縮圧力が高くなり、樹脂割れが生じやすくなる虞がある。本発明では、線膨張係数がボンド磁石により近いステンレス鋼をスリーブ材及びシャフト材として用いることにより、低温側における線膨張率の差によるロータの破損（クラック発生）を抑制することができる。

本発明はまた、前述のロータを備えるインナーロータ型モータも対象とするものである。
モータの構成は特に限定されず、当技術分野において従来知られているインナーロータ型モータの構成を種々採用し得、一例として前述の特許文献１に示す燃料ポンプを構成するモータを採用することができるがこれらに限定されない。

以下、本発明を実施例により、さらに詳しく説明する。ただし、本発明はこれに限定されるものではない。

＜ロータを構成する永久磁石に使用する熱可塑性樹脂バインダの作製＞
上記永久磁石に使用する熱可塑性樹脂バインダとして、低温での可撓性に優れたポリアミド１２（ＰＡ１２）を用い、ここにＰＡ１２の弾性率を高めるためにポリアミド１２エラストマー（ＰＡ１２エラストマー）を配合した。
ＰＡ１２とＰＡ１２エラストマーとの配合比を質量比で１００：０から６０：４０へと変化させた下記の４種の熱可塑性樹脂バインダを作製した。
試料１ ＰＡ１２：ＰＡ１２エラストマー＝１００：０
試料２ ＰＡ１２：ＰＡ１２エラストマー＝８０：２０
試料３ ＰＡ１２：ＰＡ１２エラストマー＝７０：３０
試料４ ＰＡ１２：ＰＡ１２エラストマー＝６０：４０

さらに、高温での熱酸化を抑制するために、上記試料３に対して酸化防止剤を添加した３種の熱可塑性樹脂バインダを作製した。ここで酸化防止剤Ａとしてフリーラジカル補足機能を有する酸化防止剤を用い、酸化防止剤Ｂとして過酸化物分解機能を有する酸化防止剤を用いた。熱可塑性樹脂バインダの質量（１００質量％）に対して、酸化防止剤を以下の通り配合し、試料５乃至試料７の熱可塑性樹脂バインダを作製した。
試料５： 試料３＋酸化防止剤Ａ ２．７質量％
試料６： 試料３＋酸化防止剤Ｂ １．０質量％
試料７： 試料３＋酸化防止剤Ｂ ２．０質量％

＜ロータを構成する磁石材料の作成＞
Ｓｍ−Ｆｅ−Ｎ系異方性磁石粉末 １００質量部に対して前記試料１乃至試料７の熱可塑性樹脂バインダ１０質量部をそれぞれ混合し、磁石材料Ａ乃至磁石材料Ｇを作製した。
尚、磁石材料Ａの熱膨張係数は３９×１０^−６／Ｋであった。

＜ロータの作製＞
図１に示すロータ１を以下の通り作製した。
外径φ１４ｍｍ長さ１８ｍｍのＳＵＳ３０３製スリーブ２（ＳＵＳ３０３の熱膨張率：２０×１０^−６／Ｋ）の内周に、ＳＵＳ４４０Ｃ製のシャフト３（外径φ６ｍｍ長さ８０ｍｍ、ＳＵＳ４４０の熱膨張率：１０×１０^−６／Ｋ）を圧入固定する。次にシャフト３が圧入固定されたスリーブ２を図示しない型内に収容し、スリーブ２の外周を囲繞する型キャビティに前述の磁石材料Ａ乃至磁石材料Ｇが均等に配置され且つ前記スリーブ２と一体になるように前記磁石材料を射出して成形し、永久磁石４をスリーブ２の外周に形成した。なお、成形体（スリーブ２と永久磁石４の一体成形物）の寸法を外径φ２０ｍｍ長さ１８ｍｍとし、また射出成形時には（成形後の）永久磁石４の外周表面４ａに極異方性の磁場配向をかけながら成形し、ロータ１とした。各磁石材料についてそれぞれ２０個ずつロータ１を作製した。なおこれら成形体並びに完成品のロータ１の寸法、質量を統一した。
得られたロータ１は、図１に示す通り、ＳＵＳ４４０Ｃ製のシャフト３と、略円筒状のＳＵＳ３０３製のスリーブ２と、前記磁石材料Ａ乃至Ｇのいずれかよりなる永久磁石４を備え、前記永久磁石４は前記スリーブ２の外周に該スリーブと一体になるように射出成形されてなり、前記シャフト３は該スリーブ２の内周に嵌挿されてスリーブ２に固定されてなる。

＜評価１：熱衝撃試験＞
前述の＜ロータの作製＞にて作製したロータ１（磁石材料Ａ乃至磁石材料Ｇ毎に各２０個）について、「−４０℃（２時間）、１１０℃（２時間）、ダンバ切り替えによる１１０℃または−４０℃への到達時間：５分」を１サイクルとした５００サイクルの熱衝撃試験を行った。
４０サイクル毎にロータの外観確認を行い、磁石材料別に、全てのロータの外観に割れが確認されなかったサイクルを○と評価して試験を続行し、１つでもロータの外観に割れが確認されたサイクルを×と評価し以降の試験を終了した。得られた結果を表１に示す。
なお、屋外使用を想定した燃料ポンプのモータに用いるロータにおいて、上記サイクルを用いた熱衝撃試験では、５００サイクル程度の耐久性が通常求められる。

表１に示すように、磁石材料Ａ乃至磁石材料Ｄを使用したロータの熱衝撃試験の結果より、熱可塑性樹脂バインダにおいてＰＡ１２とＰＡ１２エラストマーとの配合比を変化させ、ＰＡ１２エラストマーの比率を高める（試料１＜試料２＜試料３＜試料４）ことにより、熱衝撃試験の耐久性が高まることが確認された。
また、同じ熱可塑性樹脂バインダ（試料３）を使用し、酸化防止剤の未添加の磁石材料Ｃと、酸化防止剤を添加した磁石材料Ｅ乃至磁石材料Ｇを使用したロータの試験結果より、酸化防止剤の添加により熱衝撃性試験の耐久性が高まることが確認された。さらに、フリーラジカル補足機能を有する酸化防止剤Ａ（配合例：磁石材料Ｅ）と比べ、過酸化物分解機能を有する酸化防止剤Ｂ（配合例：磁石材料Ｆ及び磁石材料Ｇ）を配合した場合、少ない添加量でも優れた耐久性を磁石材料に付与できることが確認された。

上述の結果、すなわち磁石材料の選択により、ロータの耐久性に差が生じた原因の一つとして、高温晒し時（１１０℃）の熱的要因による熱可塑性樹脂の酸化分解が考えられる。熱可塑性樹脂として採用したポリアミド鎖中のアミド結合は、高温下において加水分解及び酸化分解等により切断され易く、その結果ポリアミド鎖は低分子量化し、ポリアミド樹脂としての機械的強度が低下すると考えられる。
また他の原因の一つとして、急激な温度変化における熱可塑性樹脂バインダ内部の不均一な熱膨張や収縮の発現が考えられる。こうした温度変化に対して、材料の膨張・収縮を緩和できるように適度な伸び率を付与すること、特に低温（−４０℃）晒し時において可撓性を確保するような材料の選択が好ましいと考えられる。
そして、これらを勘案し、本発明では、熱可塑性エラストマーと過酸化物分解機能を有する酸化防止剤の配合により、樹脂バインダの高温環境下における耐久性を高め、熱衝撃試験におけるロータの耐久性改善につながったものと考えられる。

＜評価２：引張試験＞
Ｓｍ−Ｆｅ−Ｎ系異方性磁石粉末 １００質量部に対して試料１乃至試料７の熱可塑性樹脂バインダを１０質量部混合し、＜評価１＞と同様に磁石材料Ａ乃至磁石材料Ｇを作製した。
前記磁石材料Ａ乃至磁石材料Ｇを用いて、標線間距離が２０ｍｍのダンベル状試験片（磁石材料Ａ乃至磁石材料Ｇに対応して磁石１乃至磁石７とする）を作製した（各磁石毎に１５個ずつ作製）。

作製した磁石１乃至磁石７のダンベル状試験片について、試験前（高温保存前）、１１０℃の恒温槽における高温保存５００時間経過後、そして同高温保存１０００時間経過後の計３回、−４０℃環境での引張試験を実施した（各試験に対して、各磁石５個について実施）。各試料の切断時の伸び率を以下の式にて算出し、試料５個の平均値として、各磁石における引張応力に対する伸び率を算出した
切断時の伸び率（％）＝［（Ｌ−Ｌ_０）／Ｌ_０］×１００
Ｌ_０：試験前の試料長さ Ｌ：切断時の試料長さ
なお、引張試験の試験条件は以下のとおりである。
・引張試験装置（テクノグラフＴＧ−５ＫＮ ミネベア株式会社製）
・引張速度：１ｍｍ／分
・試験温度：−４０℃

前述の＜評価１＞において、５００サイクル未満でロータ外観に割れが認められた磁石材料を用いて作製した磁石１乃至磁石５の１０００時間高温保存後の伸び率は、図２に示すように最大で０．５７％未満となった。一方、５００サイクル後もロータが外観に割れが認められなかった磁石材料を用いて作製した磁石６の１０００時間高温保存後の伸び率は０．９％であり、磁石７にあっては１．５％を超える結果となった。

評価１及び評価２の結果より、１１０℃で１０００時間保存後においても、引張応力に対する伸び率が０．５７％以上、好ましくは０．９％以上の永久磁石（ボンド磁石）を採用することにより、低温環境下及び高温環境下に晒した場合においても割れが発生せず、屋外使用を想定した燃料ポンプ用のロータとして好適となることが見込めることが確認された。

１・・・ロータ
２・・・スリーブ
３・・・シャフト
４・・・永久磁石
４ａ・・・永久磁石の外周表面

Claims (3)

1. 略円筒状のスリーブと、スリーブの内周に嵌挿したシャフトと、スリーブの外周に配置された永久磁石とを備えてなる永久磁石付ロータであって、
   前記永久磁石は、磁石粉末としてＳｍ−Ｆｅ−Ｎ系異方性磁石粉末と、熱可塑性樹脂としてポリアミド系樹脂と、熱可塑性エラストマーとしてポリアミド系エラストマーと、過酸化物分解機能を持つ酸化防止剤とを含み、このとき前記永久磁石は、１１０℃で１０００時間保存前において、−４０℃における引張応力に対する伸び率が２．５％以上となる量の前記ポリアミド系エラストマーを含み、そして
   前記永久磁石は、１１０℃で１０００時間保存後において、−４０℃における引張応力に対する伸び率が０．５７％以上であり、
   前記永久磁石はスリーブの外周に射出成形により前記スリーブと一体になって形成され、前記スリーブがＳＵＳ３０３からなり、前記シャフトがステンレス鋼製であることを特徴とするロータ。
2. 略円筒状のスリーブと、スリーブの内周に嵌挿したシャフトと、スリーブの外周に配置された永久磁石とを備えてなる永久磁石付ロータであって、
   前記永久磁石は、磁石粉末としてＳｍ−Ｆｅ−Ｎ系異方性磁石粉末と、熱可塑性樹脂としてポリアミド系樹脂と、熱可塑性エラストマーとしてポリアミド系エラストマーと、過酸化物分解機能を持つ酸化防止剤とを含み、このとき前記永久磁石は、１１０℃で１０００時間保存前において、−４０℃における引張応力に対する伸び率が２．５％以上となる量の前記ポリアミド系エラストマーを含み、そして
   前記永久磁石は、１１０℃で１０００時間保存後において、−４０℃における引張応力に対する伸び率が０．９％以上であり、
   前記永久磁石はスリーブの外周に射出成形により前記スリーブと一体になって形成され、前記スリーブがＳＵＳ３０３からなり、前記シャフトがステンレス鋼製であることを特徴とするロータ。
3. 請求項１又は２に記載のロータを備えるインナーロータ型モータ。

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