JP7364925B2

JP7364925B2 - アキシャルギャップ型モータの回転子用ヨーク

Info

Publication number: JP7364925B2
Application number: JP2021147703A
Authority: JP
Inventors: 公平井原; 将裕阿部; 理恵吉田; 智詞山中
Original assignee: Nichia Corp
Current assignee: Nichia Corp
Priority date: 2020-09-29
Filing date: 2021-09-10
Publication date: 2023-10-19
Anticipated expiration: 2041-09-10
Also published as: JP2022056376A

Description

本発明は、アキシャルギャップ型モータの回転子用ヨーク、および、該ヨークを用いたアキシャルギャップ型モータの回転子に関する。

薄型で高トルクを発生することができるアキシャルギャップ型モータが知られている。該モータには、ヨークと回転子磁石からなる回転子が供えられている。たとえば、特許文献１には、回転子磁石との接合面に周方向に複数の溝が形成されたヨークが開示され、ヨークにボンド磁石を直接射出成形して回転子を作製している。

しかしながら、特許文献１においては、溝の構造や数について考慮されておらず、自動車のウォーターポンプや燃料ポンプなどの低温、高温が繰り返される過酷な使用環境では、ボンド磁石のヨークからの剥がれやボンド磁石の亀裂等が生じることが考えられる。

特開２０１６－１３１４６８号公報

本発明は、低温、高温が繰り返されるような使用環境（以下、冷熱環境下）においても、ボンド磁石の剥がれや、亀裂等の発生を低減できる耐久性の高いアキシャルギャップ型モータの回転子、および、アキシャルギャップ型モータの回転子に適したヨークを提供することを目的とする。

本発明の一態様にかかるアキシャルギャップ型モータの回転子用ヨークは、ボンド磁石との接合面に、複数の凹部を有し、前記凹部の少なくとも１つが内周側または外周側に放射状に貫通し、前記凹部の少なくとも１つが開口部よりも内部の最大幅が大きい。

本発明の一態様にかかるアキシャルギャップ型モータの回転子は、前記ヨークの凹部にボンド磁石が配置されている。

本発明の一態様にかかるアキシャルギャップ型モータは、前記回転子を有する。

上記態様によれば、冷熱環境下においても、ボンド磁石の剥がれ、亀裂等の発生を低減できる耐久性の高いアキシャルギャップ型モータの回転子、および、アキシャルギャップ型モータの回転子に適したヨークを提供することができる。

本実施形態のアキシャルギャップ型モータの回転子用ヨークの外観図である。アキシャルギャップ型モータの回転子の外観図である。３つの本実施形態におけるアキシャルギャップ型モータの回転子の上面図である。それぞれの態様の回転子のＡ－Ａ線の断面図である。本実施形態のアキシャルギャップ型モータの回転子用ヨークを用いて作製した本実施形態のアキシャルギャップ型モータの外観図である。比較例１で作製したアキシャルギャップ型モータの回転子の上面図である。Ａ－Ａ線の断面図である。

以下、本発明の実施形態について詳述する。ただし、以下に示す実施形態は、本発明の技術思想を具体化するための一例であり、本発明を以下のものに限定するものではない。なお、本明細書において「工程」との語は、独立した工程だけではなく、他の工程と明確に区別できない場合であってもその工程の所期の目的が達成されれば、本用語に含まれる。また、実施形態において、上下や左右などの表現は、相対的な位置の関係を述べるに過ぎず、使用時における関係と一致していなくてもよい。

本発明のアキシャルギャップ型モータの回転子用ヨークは、ボンド磁石との接合面に、複数の凹部を有し、前記凹部の少なくとも１つが内周側または外周側に放射状に貫通し、前記凹部の少なくとも１つが開口部よりも内部の最大幅が大きいことを特徴とする。図１Ａに、内周側から外周側へ放射状に貫通した断面略台形状の凹部５を８個形成した本実施形態のアキシャルギャップ型モータの回転子用ヨーク２の外観図を、図１Ｂに、本実施形態のアキシャルギャップ型モータの回転子４の外観図を示す。ここで、図１Ｂにおいて、ボンド磁石１の外径はヨーク２の外径よりもわずかに小さく、ボンド磁石１の内径はヨーク２の内径よりも、わずかに大きくなっている。また、図２Ａに、本実施形態のアキシャルギャップ型モータの回転子４の上面図を、図２Ｂに、本実施形態のアキシャルギャップ型モータの回転子４の断面図を示す。なお、図１Ｂにおいては、わかりやすくするためボンド磁石１を透視図として説明している。

アキシャルギャップ型モータの回転子４用ヨーク２は、図１Ａに示すように、リング状の円盤状となっている。ヨーク２の外径は、例えば２０ｍｍ以上６０ｍｍ以下とすることができ、３０ｍｍ以上５０ｍｍ以下としてもよい。ヨーク２の内径は、例えば５ｍｍ以上２０ｍｍ以下とすることができ、１０ｍｍ以上１５ｍｍ以下としてもよい。ヨーク２の厚みは、例えば１ｍｍ以上８ｍｍ以下とすることができ、２ｍｍ以上６ｍｍ以下としてもよい。

凹部５とは、回転子用ヨーク２を金型内に挿入し、ボンド磁石１を射出成形して回転子４を作製する際に、ボンド磁石１で充填される部位である。該凹部は、開口部よりも内部の最大幅が大きいため、アンカー効果により冷熱環境下においても、ヨークからのボンド磁石の剥がれや、ボンド磁石の亀裂を低減できる。

凹部の少なくとも１つは、ヨークの内周側または外周側へ放射状に形成されている。凹部の全てが、ヨークの内周側または外周側へ放射状に形成されていることが好ましい。ここで、放射状とは、内周側から外周側に形成されていれば良いが、円盤の中心から直径方向に沿って形成されていることが好ましい。凹部はボンド磁石の使用量を低減できるので、厚み方向に貫通していないことが好ましい。

開口部の最大幅は、ボンド磁石の使用量と耐久性より０．５ｍｍ以上４ｍｍ以下が好ましく、１ｍｍ以上３ｍｍ以下がより好ましい。開口部内部の最大幅は、ボンド磁石の使用量と耐久性より１ｍｍ以上４．５ｍｍ未満が好ましく、１．５ｍｍ以上３．５ｍｍ未満がより好ましい。凹部の深さは、ヨークの厚みにもよるが、ボンド磁石の使用量と耐久性より０．５ｍｍ以上３ｍｍ以下が好ましく、１．５ｍｍ以上２ｍｍ以下が好ましい。なお、凹部が厚み方向に貫通していない場合とは、ヨークの厚みより、凹部の深さが小さいことを意味する。少なくとも一つの凹部の内部の最大幅は、開口部の最大幅よりも大きいことが必要であるが、凹部の全てが、開口部よりも内部の最大幅が大きいことが好ましい。ボンド磁石の使用量と耐久性より、開口部よりも内部の最大幅が１３０％以上大きいことが好ましく、１５０％以上大きいことがより好ましい。

凹部は、内周側または外周側に放射状に貫通している。図２Ａに、内周側および外周側に放射状に貫通した凹部、外周側にのみ放射状に貫通した凹部、内周側にのみ放射状に貫通した凹部の上面図を示す。なお、凹部の配置をわかりやすくするため、ボンド磁石を透視図として説明している。これらの３種の凹部は、単独でも、混在していても良い。いずれかの方向に貫通していると、温度変化によりボンド磁石の膨張や収縮が生じた際の歪を緩和できるので耐熱衝撃性が向上しボンド磁石の剥がれや亀裂が低減する。凹部の少なくとも１つは、内周側または外周側に放射状に貫通しているが、凹部の全てが内周側または外周側に放射状に貫通していることが好ましい。さらに、歪をより緩和できるという点で、少なくとも一つの凹部が、内周側および外周側の両方に貫通していることが好ましく、凹部の全てが、内周側および外周側に放射状に貫通していることがより好ましい。

凹部の少なくとも１つの断面形状は、特に限定されないが、たとえば略台形、略円形、略楕円形などが挙げられる。凹部の全ての断面形状が略台形、略円形または略楕円形であることが好ましい。

凹部は複数存在することが必要であるが、個数は１６個以下であればよく、ボンド磁石の使用量と耐久性より８個以下が好ましく、４個以下がより好ましく、２個が特に好ましい。また、凹部は、ヨーク表面において凹部同士で区分されたそれぞれの面積が略均等になるように配置されることが好ましい。

ヨークの材料は特に限定されないが、ステンレススチール、ＳＳ材（一般構造用圧延鋼材）などが挙げられる。ヨークの表面は、腐食を抑制する効果の点で、亜鉛等でメッキされていることが好ましい。

凹部の形成方法は特に限定されず、たとえばヨークの表面をアリ溝カッターで切削する方法などが挙げられる。

本発明のアキシャルギャップ型モータの回転子は、前記ヨークの凹部にボンド磁石が配置されている。該回転子は、ヨークに、磁性粉末と熱可塑性樹脂を有するボンド磁石用組成物を射出成形することによって、一体成形することができる。ボンド磁石の外径は、例えば２０ｍｍ以上６０ｍｍ以下とすることができ、３０ｍｍ以上５０ｍｍ以下としてもよい。ボンド磁石の内径は、例えば５ｍｍ以上２０ｍｍ以下とすることができ、１０ｍｍ以上１８ｍｍ以下としてもよい。ボンド磁石部の厚さは、例えば１ｍｍ以上４ｍｍ以下とすることができ、２ｍｍ以上３ｍｍ以下にしてもよい。なお、ボンド磁石の厚さとは、凹部以外の部位の厚さのことを意味する。磁石使用量低減の観点から、凹部に形成されたボンド磁石の外径はヨークの外径よりも小さく、ボンド磁石の内径はヨークの内径より大きいことが好ましい。

ボンド磁石に使用する磁性粉末は特に限定されないが、ＳｍＦｅＮ系、ＮｄＦｅＢ系、ＳｍＣｏ系の希土類磁性粉末が使用可能である。希土類磁性粉末としては、ＮｄＦｅＢ系と比べて耐熱性の点で優れており、またＳｍＣｏ系と比べて希少金属を使用しない点でＳｍＦｅＮ系磁性粉末とすることがより好ましい。ＳｍＦｅＮ系磁性粉末としては、Ｔｈ_２Ｚｎ_１７型の結晶構造をもち、一般式がＳｍ_ｘＦｅ_{１００－ｘ－ｙ}Ｎ_ｙで表される希土類金属Ｓｍと鉄Ｆｅと窒素Ｎからなる窒化物である。ここで、希土類金属Ｓｍの原子％のｘ値は、８．１％以上１０％以下の範囲になり、Ｎの原子％のｙ値は、１３．５％以上１３．９％以下の範囲になって、残部が主としてＦｅとされる。また、磁性粉末としてＳｍＦｅＮ系とともに、ＮｄＦｅＢ系、ＳｍＣｏ系の希土類磁性粉末や、フェライト系磁性粉末を併用することができる。

ＳｍＦｅＮ系磁性粉末は、例えば特許第３６９８５３８号で開示された方法で製造できる。これにより、ＳｍＦｅＮ系磁性粉末の平均粒径が２μｍ以上５μｍ以下であり、標準偏差が１．５以内のものを好適に使用できる。

一方で、ＮｄＦｅＢ系磁性粉末については、例えば、特許第３５６５５１３号に記載されたＨＤＤＲ法により製造できる。このＮｄＦｅＢ系磁性粉末は、平均粒径が４０μｍ以上２００μｍ以下、最大エネルギー積が３４～４２ＭＧＯｅ（２７０～３３５ｋＪ／ｍ^３）のものを好適に使用できる。さらにＳｍＣｏ系磁性粉末については、例えば、特許第３５０５２６１号で開示された方法により製造でき、平均粒径１０μｍ以上３０μｍ以下のものが使用できる。

磁性粉末の平均粒径は、１０μｍ以下が好ましく、１μｍ以上５μｍ以下がより好ましい。平均粒径が１０μｍよりも大きいと、ボンド磁石の表面に凹凸部や亀裂等が発生して外観的に劣るおそれがある。一方で、平均粒径が１μｍよりも小さいと、磁性粉末のコストが高くなる。なお、平均粒径は、粒度分布における小粒径側からの体積累積５０％に相当する粒径として測定される。

磁性材料は、シランカップリング剤で表面処理することもできる。シランカップリング剤などで表面処理することにより、射出成形時の粘度の上昇を抑制することができる。

シランカップリング剤としては、一般式；Ｘ－Ｓｉ－（ＯＲ）_ｎ（ただし、Ｘは末端に極性基を有するアルキル基、Ｒは炭素数が１以上３以下のアルキル基であり、ｎは１以上３以下の整数）で表され、Ｘにおける極性基がアミノ基、ウレイド基、エポキシ基、チオール基、メタクリロキシ基を有するものが好ましい。熱可塑性樹脂としてナイロン樹脂を使用する場合、ナイロン樹脂との親和性が高いアミノ基をもつカップリング剤を使用するのが好ましく、特に、３－アミノプロピルトリメトキシシラン、３－アミノプロピルトリエトキシシラン、３－（２－アミノエチル）アミノプロピルトリメトキシシラン、３－（２－アミノエチル）アミノプロピルメチルトリエトキシシランを使用することが好ましい。

ボンド磁石に使用する熱可塑性樹脂は特に限定されず、例えば、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリ塩化ビニル、ポリエステル、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリフェニレンサルファイド、アクリル樹脂などが挙げられる。これらの中でも、比較的低融点で、吸水率が低く、結晶性樹脂であるため成形性が良いという点から、ポリプロピレンまたはポリアミドが好ましく、特にポリアミドの中でも、ポリアミド１２が好ましい。また、これらを適宜混合して使用することも可能である。熱可塑性樹脂の含有量は特に限定されないが、磁石全体に対して、３質量％以上２０質量％以下が好ましく、５質量％以上１５質量％以下がより好ましい。３質量％未満では、流動性が著しく低下し、射出成形することが困難となり、２０質量％を超えると、磁石として十分な磁束密度が得られない。

ボンド磁石には、ボンド磁石に一般的に配合される成分、たとえば酸化防止剤、滑材、重金属不活性剤などを配合することができる。また、本発明に使用する磁性粉末は、耐酸化、耐水、樹脂との濡れ性改善、耐薬品を改善する目的で表面処理が施されていることが好ましい。なお、これらの処理は必要に応じて組み合わせて用いることが可能である。表面処理方法は、必要に応じて湿式、ミキサーなどの乾式、メッキ、蒸着で行われる。さらにまた、耐候剤、可塑剤、難燃剤、耐電防止剤等を必要に応じて加えることもできる。

本実施形態のアキシャルギャップ型モータの回転子は、固定子と組み合わされてアキシャルギャップ型モータとなる。該モータは車載用インバーター、ラジエーターのウォーターポンプ、燃料ポンプ、およびファン等に使用することができる。図３に、本発明の回転子４を使用したアキシャルギャップ型モータの外観図を示す。なお、図３において、固定子３に対して上側に記載した回転子４では、ヨーク２を透視図として説明しており、固定子３に対して下側に記載した回転子４ではボンド磁石１を透視図として説明している。

以下、実施例に基づいて本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらのみに限定されるものではない。

製造例（ボンド磁石用組成物）
サマリウム鉄窒素磁性粉末（平均粒径３μｍ）９１質量％に対してポリプロピレン樹脂粉末８．３質量％、酸化防止剤粉末０．６質量％、滑剤０．１質量％をミキサーで混合した後、混合粉を二軸混練機に投入し、２３０℃にて混練して混練物を得た。得られた混練物を冷却後、適当な大きさに切断しボンド磁石用組成物を得た。

実施例１
外径５０ｍｍ、内径１５ｍｍ、厚み２ｍｍの冷間圧延鋼板（ＳＰＣＣ）の円盤状ヨークに、（株）栄工舎製のＯリング用の超硬アリ溝カッター（刃長１．５ｍｍ、外径１．７７ｍ、片角１５°）を用いて、図１Ａのように均等に放射状に８本のアンダーカット形状の加工を施した。形成された凹部の断面は略台形であり、開口部の幅は１．０ｍｍ、内部の最大幅は１．８ｍｍ、深さ１．５ｍｍであった。得られたヨークの凹部構成面に、製造例で得られたボンド磁石用組成物を射出成形した。ボンド磁石の形状は、外径４９ｍｍ、内径１６ｍｍ、厚み２ｍｍである。得られた回転子において、ヨークとボンド磁石の径が異なっており、ボンド磁石の内周側と外周側のそれぞれが０．５ｍｍヨークよりも小さくなっている。

実施例２～５
凹部の本数を、表１に示すように変更したこと以外は、実施例１と同様にしてヨークを作製した。

比較例１
外径５０ｍｍ、内径１５ｍｍ、厚み２ｍｍの冷間圧延鋼板（ＳＰＣＣ）の円盤状ヨークに、図４Ｂに示すようにヨークの上側（厚み方向で１ｍｍ分）の幅を４７ｍｍ、上記ヨークの下側（厚み方向で１ｍｍ分）の幅を４３ｍｍになるように加工した。得られたヨークに製造例で得られたボンド磁石用組成物を射出成形した。ボンド磁石の形状は、外径４９ｍｍ、内径１６ｍｍ、厚み２ｍｍとした。

＜耐冷熱性能試験＞
耐冷熱衝撃試験は、－３０℃（１時間）→１２０℃（２時間）を１サイクルとし、１サイクルごとにサンプルを試験機から取り出して、ボンド磁石複合体のボンド磁石部分に、剥がれや亀裂が無いか確認した。評価結果を、表１に示す。

比較例１で作製した回転子では、わずか１０サイクルでボンド磁石に亀裂が生じた。一方、実施例１～５で作製した本発明の回転子では、最低でも４８０回のサイクルを繰り返してもボンド磁石の剥がれや亀裂が生じなかった。特に凹部の本数が少ないものほど、ボンド磁石使用量も少ない上に、ボンド磁石の剥がれや亀裂が生じるまでのサイクル数が多く良好であった。

本発明の回転子は、過酷な使用環境においても、亀裂やヨークからのボンド磁石の剥がれが生じず、耐久性が高くなり、また、本発明のヨークは、アキシャルギャップ型モータの回転子として適している。ヨークを用いた回転子は、アキシャルギャップ型モータとして好適に適用することができる。

１：ボンド磁石
２：ヨーク
３：固定子
４：回転子
５：凹部

Claims

ボンド磁石との接合面に、複数の凹部を有し、
前記凹部の少なくとも１つが内周側または外周側に放射状に貫通し、
前記凹部の少なくとも１つが開口部よりも内部の最大幅が大きいアキシャルギャップ型モータの回転子用ヨーク。
前記凹部の少なくとも１つが、内周側および外周側に貫通した請求項１に記載のアキシャルギャップ型モータの回転子用ヨーク。
前記凹部の少なくとも１つの断面が、略台形、略円形または略楕円形である請求項１または２に記載のアキシャルギャップ型モータの回転子用ヨーク。
前記凹部の全てが、内周側または外周側に放射状に貫通している請求項１～３のいずれか１項に記載のアキシャルギャップ型モータの回転子用ヨーク。
前記凹部の全てが、開口部よりも内部の最大幅が大きい請求項１～４のいずれか１項に記載のアキシャルギャップ型モータの回転子用ヨーク。
前記凹部の全てが、内周側および外周側に貫通した請求項１～５のいずれか１項に記載のアキシャルギャップ型モータの回転子用ヨーク。
前記凹部の全ての断面が、略台形、略円形または略楕円形である請求項１～６のいずれか１項に記載のアキシャルギャップ型モータの回転子用ヨーク。
請求項１～７のいずれか１項に記載のヨークの凹部にボンド磁石が配置されたアキシャルギャップ型モータの回転子。
請求項８に記載のアキシャルギャップ型モータの回転子を有するアキシャルギャップ型モータ。