(57)【要約】【課題】トルクの向上と、渦電流損の増加の防止と、を両立するモータを提供する。【解決手段】ステータコア２０を備えたステータ２と、ステータ２の内部に回転自在に設けられ、ロータコア３０を備えたロータ３と、を備えたモータ１である。ロータコア３０は、ロータ３の軸方向Ｘに沿って、複数の電磁鋼板３０ａ、３０ａ、…が積層された積層体である。ステータコア２０およびロータコア３０が対向する位置のロータコア３０の対向面３０ｂには、ナノ結晶軟磁性材料の軟磁性層３１が、対向面３０ｂの一部を露出するように、間隔をあけて複数配列されており、ロータ３の軸方向Ｘに沿った、各軟磁性層３１の幅ｄ２は、電磁鋼板３０ａの厚みｄ１よりも小さい。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステータコアを備えたステータと、ロータコアを備え、前記ステータの内部に回転自在に設けられたロータと、を有したモータであって、
前記ステータコアまたは前記ロータコアは、前記ロータの軸方向に沿って、複数の電磁鋼板が積層された積層体であり、
前記ステータコアおよび前記ロータコアが対向する位置の前記積層体の対向面には、ナノ結晶軟磁性材料の軟磁性層が、前記積層体の前記対向面の一部を露出するように、前記ロータの少なくとも軸方向に、間隔を開けて複数配列されており、
前記ロータの軸方向に沿った各軟磁性層の幅は、前記電磁鋼板の厚みよりも小さいことを特徴とするモータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ステータと、ステータの内部に回転自在に配置されたロータと、を備えたモータに関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車産業においては、ハイブリッド自動車や電気自動車のさらなる走行性能の向上を目指して、駆動用モータの高出力化、軽量化、小型化への開発が日々進められている。このようなモータは、ステータコアを備えたステータと、ステータの内部に回転自在に設けられ、ロータコアを備えたロータと、を備えている。
【０００３】
ところで、特許文献１には、ステータとロータとの対向部に、磁性体を溶射材料として溶射して、アブレーダブル特性を有した溶射被膜（アブレーダブル溶射被膜）を形成したオルタネータが開示されている。このオルタネータでは、磁性体を含むアブレーダブル溶射被膜により、ステータとロータとのクリアランスが減少するため、磁束が流れ易くなる。
【０００４】
このようなアブレーダブル溶射被膜を上記モータのステータコアとロータコアとの対向部に形成した場合には、ステータとロータとのクリアランスが狭くなるため、磁束が流れ易くなる結果、モータのトルクを向上する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平４−１６８９５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、ステータコアとロータコアとの対向部に形成された溶射被膜の表面のうち、回転時に発生する磁束に対して垂直な面では、渦電流が発生する。この渦電流の直径が大きくなるに従って、モータの渦電流損が大きくなるため、対向部の全面を覆うように溶射被膜を形成すると、モータの駆動時に発生する渦電流の直径が大きくなり、その結果、モータの渦電流損が大きくなってしまう。
【０００７】
本発明は、このような点を鑑みてなされたものであり、本発明として、トルクの向上と、渦電流損の増加の防止と、を両立するモータを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を鑑みて、本発明に係るモータは、ステータコアを備えたステータと、ロータコアを備え、前記ステータの内部に回転自在に設けられたロータと、を有したモータであって、前記ステータコアまたは前記ロータコアは、前記ロータの軸方向に沿って、複数の電磁鋼板が積層された積層体であり、前記ステータコアおよび前記ロータコアが対向する位置の前記積層体の対向面には、ナノ結晶軟磁性材料の軟磁性層が、前記積層体の前記対向面の一部を露出するように、前記ロータの少なくとも軸方向に、間隔を開けて複数配列されており、前記ロータの軸方向に沿った各軟磁性層の幅は、前記電磁鋼板の厚みよりも小さいことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、ステータのステータコアまたはロータのロータコアは、複数の電磁鋼板が積層された積層体である。ステータコアおよびロータコアが対向する位置の積層体の対向面には、ナノ結晶軟磁性材料の軟磁性層が設けられている。これにより、軟磁性層を設けない場合に比べて、ステータとロータとのクリアランスを小さく設定することができるので、ステータとロータとの間に磁束が流れ易くなる。さらに、電磁鋼板の材料よりも高透磁率を有するナノ結晶軟磁性材料により、ステータとロータとの間に磁束がより流れ易くなる。この結果、モータのトルクを向上させることができる。
【００１０】
また、本発明によれば、相互に間隔を有する複数の軟磁性層では、ロータの軸方向に沿った各軟磁性層の幅が、電磁鋼板の厚みより小さい。このため、各軟磁性層上に渦電流が発生する場合に、発生する渦電流の最大直径が、積層体を構成する各電磁鋼板の１枚分の厚みより大きくなることはない。この結果、本発明では、たとえば、対向面の全面に軟磁性層を形成した場合や、各軟磁性層の幅を電磁鋼板の厚みより大きくした場合に比べて、渦電流損が増加することを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本実施形態のモータを示す断面図である。
【図２】図１に示すモータの一部拡大断面図である。
【図３】（ａ）は、図１に示すロータコアの側面図であって、（ｂ）は、（ａ）に示すＡ部の模式的拡大図である。
【図４】（ａ）〜（ｃ）は、本実施形態のロータコアの作製方法を説明する概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に、図１〜図３を参照しながら本発明に係る実施形態について説明する。本実施形態のモータ１は、たとえばハイブリッド自動車や電気自動車の駆動源として用いられるものであり、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（ＩＰＭモータ）である。ＩＰＭモータでは、コイル２５と永久磁石３３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活用することができる。
【００１３】
図１および図２の如く、モータ１は、ステータ２と、ステータ２の内部に回転自在に設けられたロータ３と、を備えている。モータ１は、たとえば、ケーシング、ベアリング、ブラケット、リード線等をさらに備えているが、これらの構成については、公知の構成を採用可能であるため、図示および説明を省略する。
【００１４】
ステータ２は、ステータコア２０とコイル２５とを備えている。ステータコア２０には、円環状のヨーク部２１と、ヨーク部２１からその径方向内側へ延在した複数のティース部２２、２２、…と、が形成されている。図２の如く、各ティース部２２の先端には、後述するロータコア３０と対向する位置に、対向面２２ａが形成されている。
【００１５】
本実施形態では、ステータコア２０は、ナノ結晶軟磁性材料の箔材を複数積層させた積層体であってもよく、電磁鋼板を複数積層した積層体であってもよく、必要に応じて樹脂をバインダとし添加した、軟磁性粉末等を圧粉成形した圧粉磁心であってもよい。
【００１６】
コイル２５は、複数のティース部２２、２２、…間の空間に分布巻きまたは集中巻きで巻線を配置することにより形成されている。コイル２５が通電されるとロータ３を回転させるための回転磁界が生じる。
【００１７】
ロータ３は、中央部分に軸穴３４が形成された円柱状のロータコア３０と、ロータコア３０に固定されたシャフト３２と、ロータコア３０に埋設された複数の永久磁石３３と、を備えている。本実施形態では、図３（ａ）の如く、ロータコア３０は、ロータ３の軸方向Ｘに沿って、複数の電磁鋼板３０ａ、３０ａ、…が積層された積層体である。本実施形態では、各電磁鋼板３０ａの厚さｄ１は、同じ厚さであるが、電磁鋼板３０ａの厚さｄ１と、後述する軟磁性層３１の幅ｄ２とが、後述する関係を満たすのであれば、各電磁鋼板３０ａの厚さｄ１は同じであっても異なってもよい。
【００１８】
ロータコア３０の電磁鋼板３０ａ、３０ａ同士の間には、絶縁性を有する樹脂等の接着層（不図示）が形成されていてもよい。接着層を構成する樹脂が熱硬化性樹脂である場合、ロータコア３０は、電磁鋼板３０ａを積層し、これを未硬化の熱硬化性樹脂に浸漬した後、積層体を引き上げて、熱硬化性樹脂を熱硬化することにより、得ることができる。このような熱硬化性樹脂としては、たとえば、エポキシ系樹脂、ポリイミド系樹脂、ポリアミドイミド系樹脂、またはアクリル系樹脂等が挙げられる。
【００１９】
ロータコア３０は、ステータ２側からロータコア３０内の永久磁石３３に入り込むリラクタンストルクに寄与する磁束や、永久磁石３３からステータ２側に流れ出すマグネットトルクに寄与する磁束の磁路として機能するものである。
【００２０】
シャフト３２は、ロータコア３０の軸穴３４に挿入され、ロータコア３０に固定されている。永久磁石３３は、ロータコア３０に形成されたスロット３５に挿入されており、熱硬化性樹脂などの樹脂により、スロット３５内に固定されている。
【００２１】
永久磁石３３は、２つ１組でＶ字形を成し、かつＶ字形の頂点がロータ３の中心を向くように、周方向に８組が均等に配置されている。永久磁石３３の形状は、矩形平板状、矩形柱状等、任意の形状を適宜選択することができる。永久磁石３３としては、ネオジム磁石、サマリウムコバルト磁石、またはフェライト磁石等を挙げることができる。
【００２２】
本実施形態では、図１〜図３の如く、ステータコア２０およびロータコア３０が対向する位置のロータコア（積層体）３０の対向面（すなわち、ロータコア３０の外周面３０ｂ）には、複数の軟磁性層３１、３１、…が形成されている。複数の軟磁性層３１、３１、…は、ロータコア３０の外周面３０ｂの一部を露出するように、間隔を開けて配列されている。
【００２３】
具体的には、本実施形態では、１つの電磁鋼板３０ａに対して、１つの軟磁性層３１が、電磁鋼板３０ａの露出した側面を周回するように形成されている。なお、本実施形態では、軟磁性層３１は、電磁鋼板３０ａの露出した側面を周回するように連続して形成されているが、電磁鋼板３０ａの露出した側面を周回するように断続的に形成されていてもよい。
【００２４】
本実施形態では、軟磁性層３１を設けることにより、ステータコア２０とロータコア３０とのクリアランス（ギャップ）をより狭く設定することができ、モータ１の駆動時に、ロータコア３０とステータコア２０との間に磁束が流れ易くなる。この結果、モータ１のトルクを向上させることができる。
【００２５】
本実施形態では、軟磁性層３１は、ナノ結晶軟磁性材料で構成されている。ナノ結晶軟磁性材料は、アモルファス合金を結晶化したものである。本実施形態では、ナノ結晶の結晶子径（Ｘ線回折の回折ピークの半値幅からＳｃｈｅｒｒｅｒの式で算出される結晶子径）は、５ｎｍ以上であることが好ましく、１００ｎｍ以下であることが好ましい。
【００２６】
このようなナノ結晶軟磁性材料の代表的な材料として、たとえば、ＦｅＣｏ系合金（たとえばＦｅＣｏ、ＦｅＣｏＶ等）、ＦｅＮｉ系合金（たとえばＦｅＮｉ、ＦｅＮｉＭｏ、ＦｅＮｉＣｒ、ＦｅＮｉＳｉ等）、ＦｅＡｌ系合金またはＦｅＳｉ系合金（たとえばＦｅＡｌ、ＦｅＡｌＳｉ、ＦｅＡｌＳｉＣｒ、ＦｅＡｌＳｉＴｉＲｕ、ＦｅＡｌＯ等）、ＦｅＴａ系合金（たとえばＦｅＴａ、ＦｅＴａＣ、ＦｅＴａＮ等）、およびＦｅＺｒ系合金（たとえばＦｅＺｒＮ等）等を挙げることができる。
【００２７】
軟磁性層３１は、電磁鋼板よりも高い透磁率を有する（たとえば、ナノ結晶軟磁性材料の透磁率は、２７，０００であり、一方、電磁鋼板の透磁率は、７２０である。）。このため、ステータコア２０およびロータコア３０間で磁束がより流れ易くなり、モータ１のトルクの向上に寄与することができる。また、軟磁性層３１は、電磁鋼板よりも低い鉄損を有する（たとえば、ナノ結晶軟磁性材料の鉄損は、２．２１Ｗ／ｋｇであり、一方、電磁鋼板の鉄損は、１２．７３Ｗ／ｋｇである）。渦電流損は鉄損の一部であるため、渦電流損の抑制を期待することができる。
【００２８】
また、軟磁性層３１は、アブレーダブル特性を有するものであってよい。軟磁性層３１がアブレーダブル特性を有することにより、軟磁性層３１にステータコア２０が接触すると、軟磁性層３１が摩耗する。これにより、ステータ２の摩耗を抑制することができるとともに、接触した箇所のステータコア２０とロータコア３０とのギャップを小さくすることができる。
【００２９】
このような軟磁性層３１は、所望のナノ結晶軟磁性材料と、軟磁性層３１にアブレーダブル特性を付与する材料（アブレーダブル材料）と、を混合して造粒した造粒粉末を、溶射粉末ｍとし、この溶射粉末ｍを、ロータコア３０に溶射することで、成形することができる。
【００３０】
アブレーダブル材料としては、合成マイカ粒子、アルミナ粒子、または、六方晶系の窒化ホウ素粒子等を挙げることができる。合成マイカ粒子を構成する合成マイカとしては、フッ素金雲母、Ｋ四珪素雲母、または、Ｎａ四珪素雲母等を挙げることができる。
【００３１】
また、本実施形態では、図３（ｂ）の如く、相互に間隔をあけて配列された複数の軟磁性層３１、３１、…は、ロータ３の軸方向Ｘに沿った各軟磁性層３１の幅ｄ２が、電磁鋼板３０ａの厚みｄ１よりも小さい。より具体的には、本実施形態では、電磁鋼板３０ａごとに、電磁鋼板３０ａの側面の一部を覆うように（すなわち、電磁鋼板３０ａ側面の一部を露出するように）、軟磁性層３１が形成されており、隣接する電磁鋼板３０ａを繋ぐように、軟磁性層３１は形成されていない。
【００３２】
本実施形態では、相互に間隔を有する複数の軟磁性層３１では、ロータ３の軸方向に沿った各軟磁性層の幅ｄ２が、電磁鋼板の厚みｄ１より小さい。このため、モータ１の駆動時に、発生する渦電流の最大直径が、ロータコア３０を構成する各電磁鋼板３０ａの１枚分の厚みより大きくなることはない。この結果、ロータコア３０の全面に軟磁性層３１を形成した場合や、各軟磁性層３１の幅を電磁鋼板３０ａの厚みより大きくした場合に比べて、渦電流損が増加することを防止することができる。
【００３３】
上述した如く、複数の軟磁性層３１は、ロータ３の軸方向Ｘに、相互に間隔をあけていてもよく（図３（ｂ）参照）、ロータ３の軸方向Ｘおよび周方向に、相互に間隔をあけていてもよい（不図示）。また、電磁鋼板３０ａ同士の間に絶縁性の樹脂層が配置されている場合には、複数の軟磁性層３１は、樹脂層が露出するように間隔をあけて、各軟磁性層３１が各電磁鋼板３０ａの外周面に配列されていてもよい。
【００３４】
ところで、たとえば、外周面全体をナノ結晶軟磁性材料で覆ったロータコア（積層体）の場合には、発生し得る渦電流の最大直径は、ロータコア（積層体）の高さと同じになる。また、外周面に、ナノ結晶軟磁性材料を覆わないロータコアの場合には、電磁鋼板ごとの外周面に、渦電流が発生し、その最大直径は、電磁鋼板の厚みと同じになる。
【００３５】
一方、本実施形態では、ロータ３の軸方向に沿った各軟磁性層の幅ｄ２が、電磁鋼板の厚みｄ１より小さいので、その最大直径が、ロータコア３０を構成する各電磁鋼板３０ａの１枚分の厚みより大きくなることはない。
【００３６】
ここで、以下の式（１）に示すように、モータの渦電流損は、渦電流の直径の２乗に比例する。したがって、本実施形態に係るロータ３は、外周面全体をナノ結晶軟磁性材料で覆わないものと同程度の渦電流損となり、外周面全体をナノ結晶軟磁性材料で覆ったもののように渦電流損が増大することはない。なお、ロータコア（積層体）の高さが７５ｍｍであり、電磁鋼板の厚みが、２５０μｍである場合には、ロータコア外周面全体をナノ結晶軟磁性材料で覆ったものの最大の渦電流損は、本実施形態のものに比べて、約９０，０００倍（７５２／０．２５２＝９０，０００）となる。
【００３７】
渦電流損＝周波数２×磁束密度２×渦電流の直径２÷電気抵抗…（１）
【００３８】
次に、本実施形態のモータ１の製造方法について説明する。なお、ここでは、図４を参照して、ロータコア３０の作製方法について説明し、ロータコア３０以外の部品については、公知の作製方法を採用可能であるため、説明を省略する。
【００３９】
本実施形態のロータコア３０の作製方法では、まず、電磁鋼板を積層したロータコア（積層体）３０Ａを準備する。なお、ロータコア３０Ａは、ロータコア３０に対して、軟磁性層３１が形成されていないものである。次に、図４（ａ）に示すように、ロータコア３０Ａの外周面３０ｃに、マスキングテープ５を貼り付ける。
【００４０】
マスキングテープ５には、その長手方向に沿って延在し、図３（ｂ）の幅ｄ２に相当する幅を有した開口部５ａが、マスキングテープ５の幅方向（図４（ａ）の上下方向）に複数形成されている。したがって、マスキングテープ５を貼り付けたロータコア３０Ａの外周面３０ｃには、幅ｄ２に相当する幅を有した複数の露出部３０ｄが周方向に沿って形成される。
【００４１】
なお、本実施形態では、マスキングテープ５の開口部５ａが、その長手方向に沿って延在しているが、幅ｄ２に相当する幅を有した複数の露出部３０ｄを形成することができるのであれば、たとえば、マスキングテープ５が網目状のものであってもよい。
【００４２】
次に、図４（ｂ）の如く、マスキングテープ５を貼った状態のロータコア３０Ａの外周面に向けて、溶射粉末ｍをプラズマ溶射法、またはガスフレーム溶射方法等で溶射する。これにより、ロータコア３０Ａの外周面３０ｃの露出部３０ｄに溶射粉末ｍが付着し、これが軟磁性層３１となる。
【００４３】
以上、本発明の一実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。
【００４４】
たとえば、上述の実施形態では、ロータコアが電磁鋼板の積層体であり、一方、ステータコアが軟磁性箔材の積層体もしくは圧粉磁心である場合で説明した。しかし、ロータコアが、軟磁性箔材の積層体もしくは圧粉磁心であり、一方、ステータコアが電磁鋼板の積層体であってもよく、あるいは、ロータコアおよびステータコアの両方が電磁鋼板の積層体であってもよい。
【００４５】
ここで、ロータコアおよびステータコアの両方が電磁鋼板の積層体である場合には、ステータコアおよびロータコアが対向する位置の積層体の対向面のうち、少なくとも一方に、複数の軟磁性層が形成されていてもよい。また、ステータコアの積層体に複数の軟磁性層が形成される場合には、軟磁性層はティース部の対向面に形成されることが望ましい。
【符号の説明】
【００４６】
１：モータ、２：ステータ、３：ロータ、２０：ステータコア、３０：ロータコア、３１：軟磁性層、３０ａ：電磁鋼板、３０ｂ：外周面（対向面）、ｄ１：電磁鋼板の厚み、ｄ２：軟磁性層の幅
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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