WO2011145433A1 - 回転電機に配設される永久磁石およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

　永久磁石の破断分割する部位に破断用の切り欠き溝より浅く且つ切り欠き溝の幅より広い幅の凹溝を形成する工程と、凹溝形成工程で形成された凹溝の溝底に永久磁石の破断用の切り欠き溝を形成する工程と、切り欠き溝に沿って永久磁石を破断分割して磁石片とする工程と、を備える。

Description

回転電機に配設される永久磁石およびその製造方法

　本発明は、電動機や発電機といった回転電機に配設される永久磁石およびその製造方法に関するものである。

　従来から回転電機のロータコアに埋込まれる永久磁石を割断により分割してその表面積を小さくすることにより、作用する磁界の変動により発生する渦電流を低減させ、渦電流に伴う永久磁石の発熱を抑制し、不可逆な熱減磁を防止することが行われている。

　ＪＰ２００９－１４２０８１Ａでは、ロータスロットの内空寸法及び内空形状を有し、かつ樹脂を充填された容器内に、予め割断の目安となる切り欠きを設けた永久磁石を挿入し、永久磁石を容器内で磁石片に割断して、割断と同時に磁石片間に樹脂を浸透させるようにしている。

　しかしながら、ＪＰ２００９－１４２０８１Ａのように、割断の目安となる切り欠きを永久磁石に設ける場合に、切り欠きの深さが深いほど、また、切り欠きの先端の尖りが鋭いほど破断面の平面度がよくなることから、レーザビームによる溝加工が望ましい。しかしながら、レーザビームによる溝加工では、切り欠きの体積分だけ、バリが切り欠きの縁部分に磁石表面から盛り上がって付着する。上記バリは磁石片の表面から盛り上がるため、同一面上に各磁石片を整列させることを阻害し、各破断面間にズレを生じさせる。このため、割断と同時に磁石片間に樹脂を浸透させる場合には、バリによりズレを生じた状態で磁石片同士が互いに樹脂により結合され、永久磁石の耐熱性能が悪くなり、モータの出力性能が低下するおそれがあった。

　本発明の目的は、したがって、磁石片をずれることなく整列させて結合するに好適な、回転電機のロータコアに配設される永久磁石およびその製造方法を提供することを目的とする。

　上記目的を達成するため、本発明は、永久磁石の破断分割する部位に破断用の切り欠き溝より浅く且つ切り欠き溝の幅より広い幅の凹溝を形成する工程と、前記凹溝形成工程で形成された凹溝の溝底に永久磁石の破断用の切り欠き溝を形成する工程と、前記切り欠き溝に沿って永久磁石を破断分割して磁石片とする工程と、を備えることを特徴とする。

　この発明の詳細並びに他の特徴や利点は、明細書の以降の記載の中で説明されるとともに、添付された図面に示される。

図１Ａは本発明の一実施形態に係る永久磁石を適用した回転電機の概略構成を示す正面図である。 図１Ｂは図１ＡのＩ-Ｉ線に沿う断面図である。 図２は永久磁石の斜視図である。 図３Ａは永久磁石の製造過程を示す斜視図である。 図３Ｂは図３Ａの要部の断面図である。 図４は永久磁石の図３に続く製造過程を示す要部の断面図である。 図５は永久磁石の図４に続く製造過程を示す要部の断面図である。 図６は永久磁石の図５に続く製造過程を示す斜視図である。 図７は破断前の永久磁石の要部の詳細断面図である。 図８は永久磁石の破断時の状態を示す断面図である。 図９は磁石片同士を接合した状態を示す永久磁石の要部断面図である。 図１０は破断面の平面度を説明する説明図である。

　以下、本発明の回転電機のロータコアに配設される永久磁石およびその製造方法を図１－図１０に示す一実施形態に基づいて説明する。

　図１において、永久磁石埋込型回転電機Ａ（以下、単に「回転電機Ａ」という）は、図示しないケーシングの一部を構成する円環形のステータ１０と、このステータ１０と同軸的に配置された円柱形のロータ２０とから構成される。

　ステータ１０は、ステータコア１１と、複数のコイル１２とを含んで構成される。ステータコア１１には、軸心Ｏを中心とした同一円周上に等角度間隔でスロット１３が形成される。複数のコイル１２はステータコア１１に形成されるスロット１３に収設される。

　ロータ２０は、ロータコア２１と、ロータコア２１と一体的に回転する回転軸２３と、複数の永久磁石３０とを含んで構成される。ロータコア２１には、軸心Ｏを中心とした同一円周上に等角度間隔でスロット２２が形成される。複数の永久磁石３０はロータコア２１に形成されるスロット２２に収設される。

　スロット２２に収設される永久磁石３０は、図２に示すように、永久磁石３０を破断分割した複数の磁石片３１が破断面同士を樹脂により接着することにより、一列に整列した磁石片３１の集合体として構成される。使用される樹脂は、例えば２００℃程度の耐熱性能を備えるものであり、隣接する磁石片３１同士を電気的に絶縁する。これにより、作用する磁界の変動により発生する渦電流は個々の磁石片３１内に留まることで低減するので、渦電流に伴う永久磁石３０の発熱を抑制し、不可逆な熱減磁を防止することができる。

　永久磁石３０を複数の磁石片３１に破断分割するために、永久磁石３０の破断しようとする部位に、予め切り欠き溝を形成することが有効である。切り欠き溝は、表面からの深さが深いほど、また、切り欠き溝の先端の尖りが鋭いほど、破断させた場合の破断面の平面度が向上する。

　ところで、切り欠き溝を形成する方法として、永久磁石３０の成形型に設けた溝形成用の突条により永久磁石３０の成形工程で設ける方法、ダイサー等の機械加工による方法、レーザビーム照射による方法等がある。

　永久磁石３０の成形型に設けた溝形成用の突条により永久磁石３０の成形工程で設ける方法では、永久磁石３０に設けられる切り欠き溝の深さおよび先端の尖りを鋭くすることに限界がある。このため、磁石片３１として破断させた場合の破断面の平面度が低いものとなる。

　ダイサー等の機械加工による方法では、砥石の先端形状を鋭くすれば、切り欠き溝の深さを深くでき且つ切り欠き溝の尖りも鋭くできる。しかし砥石先端が細く深いと砥石剛性が低下し、摩耗が早く、ランニングコストが高くなる。このため、この方法においても、切り欠き溝の深さおよび先端の尖りを鋭くすることに限界がある。このため、磁石片３１として破断させた場合の破断面の平面度が低いものとなる。

　レーザビーム照射による方法では、切り欠き溝の先端の尖りを鋭くでき、また、切り欠き溝の深さを抑制する場合には、使用する設備も安価であり、ランニングコストも安価にできる。また、切り欠き溝の深さを大きくするためには、レーザビーム出力を大きくすればよいが、レーザビーム出力に比例して、電力消費が増大し使用設備も高価となる。また、レーザビーム照射による方法では、磁石表面に施す溝の体積分だけ、即ち、切り欠き溝として溶融された領域の材料が切り欠き溝の両側に押退けられて堆積する。堆積した材料により、最終的に切り欠き溝の両側の磁石表面にバリが発生する。

　そこで、本実施形態では、前記切り欠き溝をレーザビーム照射による方法で形成すると共に、切り欠き溝の両側に生成されるバリを磁石表面から突出させない永久磁石３０の製造方法を提供する。

　図３－図６は、本実施形態における永久磁石３０の製造工程を示すものである。先ず凹溝３２が形成された永久磁石３０(図３)を形成し、凹溝３２に対してレーザビーム照射することにより切り欠き溝３３(図４)を形成する。次いで、外力により切り欠き溝３３に沿って破断し(図５)、破断面同士を樹脂により接着(図６)して、回転電機のロータコア２１に埋込まれる永久磁石３０を形成する。以下では、各工程について、詳述する。

　切り欠き溝３３の加工前の永久磁石３０は、図３に示すように、切り欠き溝３３が形成される部位に予め凹溝３２として、例えば、台形溝３２Ａを形成している。この凹溝３２は、永久磁石３０の一方の面の、複数の磁石片３１に破断分割しようとする、例えば長手方向に等間隔で並ぶ複数の部位に、永久磁石３０の幅方向に形成する。凹溝３２は、成形型のキャビティ面に台形溝形成用突起を設けておくことにより、成形型による永久磁石３０の焼結成型時に同時に形成することができる。この場合において、成形型のキャビティ面に設ける台形溝形成用突起は、尖った部分がないため、焼結成形される永久磁石３０に対して安定して安価に台形溝３２Ａを形成することができる。

　また、台形溝３２Ａの別の成形方法として、焼結成形された永久磁石３０に対して、ダイサーにより研削して成形することもできる。ダイサーにより成形する場合においても、砥石の断面形状が台形であり、鋭く尖った形状でないため、砥石の摩耗が抑制でき、ランニングコストを低くできる。

　台形溝３２Ａの深さは、溝底３２Ｂにレーザビーム加工で切り欠き溝３３を形成する場合に必要な深さ寸法と、押退けられる溶融材料の量、即ちバリ３４の高さ寸法により定まる。例えば、図７に示すように、レーザビーム加工により形成される切り欠き溝３３の幅を「Ａμｍ」とし、切り欠き溝３３の深さを「２×Ａμｍ」とすると、レーザビームにより押退けられて堆積するバリ３４の高さは、概略「Ａμｍ」となる。このため、形成すべき台形溝３２Ａの深さを、堆積するバリ３４の高さ「Ａμｍ」より大きい寸法に設定することにより、バリ３４の先端が永久磁石３０の表面から突出することを防止できる。ここでは、バリ３４の高さのバラツキを考慮して、例えば、バリ３４の高さの標準値が「Ａμｍ」であり、そのバラツキが「±２０μｍ」である場合には、形成すべき台形溝３２Ａの深さは「Ａ＋２０μｍ」と設定することができる。

　また、台形溝３２Ａの幅は、レーザビーム加工により形成される切り欠き溝３３の幅寸法に、レーザビーム加工により欠き溝３３の両側に形成されるバリ３４の幅寸法を加算した寸法に基づいて定まる。例えば、切り欠き溝３３の幅寸法を「Ａμｍ」とし、バリ３４の幅寸法を「２Ａμｍ」とした場合には、これら幅寸法を加算した寸法「Ａμｍ＋２Ａμｍ＝３Ａμｍ」を超える寸法が、形成すべき台形溝３２Ａの幅寸法となる。ここでは、レーザビーム加工による切り欠き溝３３の位置バラツキ量が「±Ｂμｍ」である場合には、さらに位置バラツキ量「２Ｂμｍ」を加算して、形成すべき台形溝３２Ａの幅寸法は「(３Ａ＋２Ｂ)μｍ」と設定することができる。なお、レーザビーム加工による切り欠き溝３３の位置バラツキ量は、永久磁石３０の位置決め精度とレーザビーム装置のビーム位置決め精度とにより算出する。このように設定することにより、台形溝３２Ａ内に切り欠き溝３３とバリ３４とを確実に収容することができる。

　なお、上記では、凹溝３２として台形溝３２Ａのものについて説明しているが、側壁が円弧状をなして溝底３２Ｂと永久磁石３０表面とを滑らかに連結する凹溝３２であってもよい。

　次いで、台形溝３２Ａの溝底３２Ｂに対してレーザビーム照射して、図４に示すように、切り欠き溝３３を形成する。切り欠き溝３３内で溶融した材料はレーザビームにより切り欠き溝３３から吹き出されて、切り欠き溝３３の両側に位置する台形溝３２Ａの溝底３２Ｂにバリ３４として堆積する。このバリ３４は、前述したように、その先端が永久磁石３０の表面から突出することが防止され、台形溝３２Ａ内に確実に収容される。

　次いで、図５および図８に示すように、永久磁石３０の凹溝３２および切り欠き溝３３が形成されている面を下面とし、一対の支持治具４１の中央に凹溝３２および切り欠き溝３３が位置するように位置決めして、支持治具４１に載置する。そして、切り欠き溝３３の中心と位置合せしてブレード４２を、凹溝３２および切り欠き溝３３が位置する永久磁石３０の背面に当接させ、さらに、ブレード４２を矢印方向に押圧して永久磁石３０の３点曲げを行い、永久磁石３０を破断分割して磁石片３１とする。

　この場合に、ブレード４２の中心に対して一対の支持治具４１は対称位置に配置されており、一対の支持治具４１の中央位置にブレード４２が配置され、一対の支持治具４１の中央(中心)位置に沿ってブレード４２が上下するようにしている。そして、永久磁石３０はブレード４２の中心に切り欠き溝３３の中心を合わせて、支持治具４１上に載置される。即ち、ブレード４２の中心に対して切り欠き溝３３の中心が位置決めされるものであって、台形溝３２Ａの中心とは必ずしも一致していなくてもよい。なお、切り欠き溝３３の中心と台形溝３２Ａの中心とがたまたま一致している場合には、この限りでない。

　磁石片３１の破断面３１Ａの面粗さの指標となる平面度は、図１０に示すように、破断面３１Ａの最も凹んだ地点を含み永久磁石３０の長手方向と直交する平面と、この平面と平行で最も突出している地点を含む平面との間隔により定義でき、この間隔が小さいほど平面度が高く、反対にこの間隔が大きいほど平面度が低いと判断できる。

　そして、破断面３１Ａの平面度は、ブレード４２と一対の支持治具４１による３点曲げにおける亀裂発生の起点である支持治具４１による支持面から切り欠き溝３３の先端の位置までの深さと、切り欠き溝３３の先端Ｒの鋭さ、つまりＲの小ささに左右される。即ち、支持治具４１による支持面から切り欠き溝３３の先端の位置までの深さが深いほど破断面３１Ａの平面度は向上し、この深さが浅いほど破断面３１Ａの平面度は低下する。また、切り欠き溝３３の先端Ｒが鋭いほど、つまりＲが小さいほど破断面３１Ａの平面度は向上し、この先端Ｒが鈍いほど、つまりＲが大きいほど破断面３１Ａの平面度は低下する。

　また、破断面３１Ａの平面度は、ブレード４２の押込み荷重の増加速度を遅くするほど平面度が向上し、増加速度を速くするほど平面度が低下する。

　本実施形態においては、切り欠き溝３３は台形溝３２Ａの溝底３２Ｂに形成されるため、支持治具４１による支持面から切り欠き溝３３の先端の位置までの深さを深くでき、破断面３１Ａの平面度を向上させることができる。また、切り欠き溝３３の先端Ｒは、切り欠き溝３３がレーザビーム照射により形成されるために鋭く形成でき、この点でも破断面３１Ａの平面度を向上させることができる。

　さらに、切り欠き溝３３を台形溝３２Ａの溝底３２Ｂに形成するので、切り欠き溝３３の深さを破断面３１Ａの平面度を所定範囲に収めるために必要な深さにする場合のレーザビーム照射による加工量は、台形溝３２Ａを設けずに切り欠き溝３３を形成する場合と比べると、台形溝３２Ａの深さの分だけ少なくなる。このため、切り欠き溝３３を形成するためのレーザビーム出力を低減でき、切り欠き溝３３の加工時間を短縮できると共にレーザビーム機器等の設備も簡素化できる。同時に、レーザビーム照射により切り欠き溝３３の両側に形成されるバリ３４の量も相対的に少なくなり、バリ３４の高さも低くできる。

　次いで、破断分割された複数の磁石片３１を、間隔を開けて整列させる。この場合、レーザビーム照射による切り欠き溝３３の形成時に発生したバリ３４は、凹溝３２内に収容され、その先端が磁石の表面から突出さないため、磁石片３１のいずれの面を下方にして整列させても、各磁石片３１が浮き上がることなく整列させることができる。

　次いで、磁石片３１間に接着剤となる樹脂を供給する。供給された樹脂は、磁石片３１の対向する破断面３１Ａ間に充填される。次いで、図６に示すように、永久磁石３０の幅方向から整列治具５０を押し当てた状態で、永久磁石３０の長手方向から加圧することにより、樹脂が対面する破断面３１Ａの全領域に浸透するとともに余分な樹脂が押出されて、各磁石片３１の破断面３１Ａ同士が接着剤により互いに接着される。しかも、上記したように、各破断面３１Ａの平面度を高くすることができるため、破断面３１Ａ同士が互いの凹凸を正確に合致させて互いに精度よく嵌合させることができる。

　以上により、図２に示す一体化された永久磁石３０を得ることができる。この永久磁石３０は、図９に示すように、破断面３１Ａ同士が樹脂により接着されており、隣接する磁石片３１同士は電気的に絶縁される。従って、ロータコア２１のスロット２２へ組付けての使用時に、作用する磁界の変動により発生する渦電流を個々の磁石片３１内に留めて低減させ、渦電流に伴う発熱を抑制し、不可逆な熱減磁を防止する。しかも、レーザビーム照射による切り欠き溝３３の形成時に発生されるバリ３４は、凹溝３２内に収容されており、その先端が永久磁石３０の表面から突出さないため、バリ３４がロータコア２１のスロット２２の縁に引っ掛かりロータコア２１に組付けできないという不具合を発生させない。従って、永久磁石３０のスロット２２への挿入時に、バリ３４が永久磁石３０から離脱して回転電機ケース内に落ち、回転部分に噛み込み焼き付きを生ずるという不具合の発生も防止できる。

　以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

　本願は２０１０年５月１９日に日本国特許庁に出願された特願２０１０－１１５１２５に基づく優先権を主張し、この出願の全ての内容は参照により本明細書に組み込まれる。

Claims (4)

1. 　永久磁石（３０）を切り欠き溝（３３）に沿って破断分割することにより形成した複数の磁石片（３１）同士を互いに整列させて結合する、回転電機（Ａ）に配設される永久磁石（３０）の製造方法であって、
   　永久磁石（３０）の破断分割する部位に前記切り欠き溝（３３）より浅く且つ幅の広い凹溝（３２）を形成する工程と、
   　前記凹溝形成工程で形成された凹溝（３２）の溝底（３２Ｂ）に永久磁石（３０）の破断用の切り欠き溝（３３）を形成する工程と、
   　前記切り欠き溝（３３）に沿って永久磁石（３０）を破断分割して磁石片（３１）とする工程と、を備える回転電機（Ａ）に配設される永久磁石（３０）の製造方法。
2. 　請求項１に記載の回転電機（Ａ）に配設される永久磁石（３０）の製造方法において、
   　前記凹溝（３２）は、前記凹溝（３２）の溝底（３２Ｂ）に形成する切り欠き溝（３３）の溝幅に対して３倍以上の溝幅を備えると共に前記切り欠き溝（３３）の溝深さに対して０．５倍以上の深さを備える。
3. 　請求項１または２に記載の回転電機（Ａ）に配設される永久磁石（３０）の製造方法において、
   　前記凹溝（３２）の断面形状が、前記溝底（３２Ｂ）に近づくほど溝幅が狭くなる台形である。
4. 　永久磁石（３０）を切り欠き溝（３３）に沿って破断分割することにより形成した複数の磁石片（３１）同士を互いに整列させて結合した、回転電機（Ａ）に配設される永久磁石（３０）であって、
   　永久磁石（３０）の破断分割する部位に位置させて前記切り欠き溝（３３）より浅く且つ幅の広い凹溝（３２Ａ）と、前記凹溝（３２Ａ）の溝底に形成した永久磁石（３０）の破断用の切り欠き溝（３３）と、を備え、
   　前記切り欠き溝（３３）に沿って破断分割すると共に、その破断面同士を接着結合した回転電機（Ａ）に配設される永久磁石（３０）。

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