(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステータ及び該ステータに対して回転可能に構成されたロータを有する電動機であって、
前記ロータは、
電磁鋼板を積層してなるロータコアと、
前記ロータの回転軸方向に連ねて配置され、接着剤により前記電磁鋼板に接着固定された複数の永久磁石と、
前記回転軸方向について隣接する永久磁石間に配置された、接着剤とは異なる弾性変形又は塑性変形可能な介挿部材と、を有し、
前記介挿部材の前記回転軸方向の厚さは、前記ロータの製造時の温度範囲内において、前記ロータコアに接着された隣接する永久磁石が、前記電動機の使用温度の下限で互いに接触しない厚さである、電動機。
【請求項２】
前記永久磁石が、前記ロータコアに設けた回転軸方向に延びる磁石挿入孔内に接着固定される、請求項１に記載の電動機。
【請求項３】
前記永久磁石が、前記ロータコアの表面に接着固定される、請求項１に記載の電動機。
【請求項４】
ステータ及び該ステータに対して回転可能に構成されたロータを有する電動機の製造方法であって、
電磁鋼板を積層してロータコアを形成することと、
複数の永久磁石を前記ロータの回転軸方向に連ねて配置し、接着剤により前記電磁鋼板に固定することと、
前記回転軸方向について隣接する永久磁石間に、接着剤とは異なる弾性変形又は塑性変形可能な介挿部材を配置することと、を有し、
前記介挿部材の前記回転軸方向の厚さは、前記ロータの製造時の温度範囲内において、前記ロータコアに接着された隣接する永久磁石が、前記電動機の使用温度の下限で互いに接触しない厚さである、電動機の製造方法。
【請求項５】
ステータ及び該ステータに対して回転可能に構成されたロータを有する電動機の製造方法であって、
電磁鋼板を積層してロータコアを形成することと、
複数の永久磁石を前記ロータの回転軸方向に連ねて配置し、接着剤により前記電磁鋼板に固定することと、
前記回転軸方向について隣接する永久磁石間に、前記接着剤の硬化温度より高い融点を有する介挿部材を配置することと、
前記接着剤を硬化させた後に前記ロータをさらに加熱し、前記介挿部材を融解させて前記隣接する永久磁石間から流出させることと、を有し、
前記介挿部材の前記回転軸方向の厚さは、前記ロータの製造時の温度範囲内において、前記ロータコアに接着された隣接する永久磁石が、前記電動機の使用温度の下限で互いに接触しない厚さである、電動機の製造方法。
【請求項６】
前記永久磁石及び前記介挿部材を、前記ロータコアに形成された磁石挿入孔に交互に挿入することを含む、請求項４又は５に記載の電動機の製造方法。
【請求項７】
前記介挿部材を、予め永久磁石の前記回転軸方向端面に接着しておくことを含む、請求項４又は５に記載の電動機の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロータを構成する電磁鋼板、シャフト及び磁石等の温度歪みによる、ロータの曲がりや磁石の破損等の不具合を防止するロータ構造を有する電動機、及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、同期電動機のロータを構成する材料は主に電磁鋼板、炭素鋼のシャフト及び永久磁石である。ロータの構造としては、永久磁石をロータ表面に貼り付けたいわゆるＳＰＭ（Surface Permanent Magnet）構造と、永久磁石を電磁鋼板の中に埋め込んだいわゆるＩＰＭ（Interior Permanent Magnet）構造とがある。
【０００３】
従来、最大出力や最大トルクが大きく、かつ慣性モーメントの小さいモータが望まれている。そのため、電動機の設計・製造の際には、ロータ構造を軸方向に長くする場合が多い。このような電動機では、ネオジム磁石（ＮｄＦｅＢ）という磁力の強い磁石が多く使用される。このネオジム磁石を、電磁鋼板を積層したコア構造体に固定する手段としては、接着剤が一般に使用される。また接着剤としては、一液性加熱硬化タイプのものが広く使用されている。
【０００４】
複数の磁石を用いたロータの歪みの解消については、いくつかの技術が提案されている。例えば、永久磁石を用いたロータを開示する引用文献１には、「この発明にかかるモーターは、複数の極を有し、極の隣り合う永久磁石間に隙間が設けられたローターを備えるものであり、温度変化が生じても、永久磁石とローターとの間の熱応力が低減され、はく離の発生を抑えることができる」と記載され、さらに「この発明にかかるモーターは、隣り合う永久磁石間の隙間がビーズを含む接着剤で埋められるものであり、所定の寸法のビーズを含む接着剤で隣り合う永久磁石の間を埋めることにより、隣り合う永久磁石間の接着層の厚みを一定にすることができ、寸法管理が容易になる」と記載されている。
【０００５】
また永久磁石回転電機を開示する特許文献２には、「回転子コアに設けた磁石挿入用空間に永久磁石を挿入する際に、それぞれの永久磁石の挿入方向上下端面にゴムの薄板を仮固定したうえで永久磁石を順次挿入し、回転軸方向に積上げた複数個または１個の磁石の挿入後に、この磁石端面上のゴムの薄板が圧縮力を受けるように回転子を回転子コアごと両端から締め上げて回転子構造体とする」と記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−７８２５７号公報
【特許文献２】特開２０１１−２０５７８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
電磁鋼板を積層したロータコアにネオジム磁石を接着固定した従来のロータでは、ロータを構成する鉄とネオジム磁石の線膨張係数の違いに起因する歪みが発生する。線膨張係数の違うものを含浸剤（接着剤）で接着すると、それらの温度が接着硬化した温度から変化するにつれて、鉄と磁石の軸方向長さに差が生じ、歪みが生じる。この歪みにより、以下のような不具合が生じ得る。
・磁石を接着固定する接着剤が割れて磁石が剥がれる。
・接着の不均一によりロータが曲がる。
・磁石が割れる。
・積層された電磁鋼板に隙間が生じる。
特に軸方向に長いロータでは、磁石を軸方向に複数段連ねているため、上記不具合が長さに応じて顕著に現れる。
【０００８】
図１１は、従来のロータにける上述の問題点をより具体的に説明する図である。図１１に示すロータ５０はいわゆるＩＰＭ構造のロータであり、環状の電磁鋼板５２を積層してなるロータコア５４と、ロータコア５４に埋め込まれた複数の永久磁石５６と、電磁鋼板５２を軸方向両側から挟持する２つの端板５８とを有する。永久磁石５６の各々は略板状かつ互いに同一形状のネオジム磁石であり、各々の端面を突き合わせた状態でロータ軸方向に長い板状に構成され、ロータコア５４に設けた軸方向に延びるスロット６０内に挿入される。永久磁石５６の各々の主表面は、温度硬化型の接着剤（含浸剤）６２によってスロット６０の内表面に接着される。
【０００９】
図１１（ａ）の状態から、ロータコア５４（少なくとも接着剤６２周辺）の温度が接着剤６２の硬化温度まで上昇した場合、図１１（ｂ）に示すように、線膨張係数が比較的高い（例えば１２×１０-6／Ｋ）電磁鋼板５２は主にロータコア５４の軸方向（左右方向）に膨張する一方、永久磁石５６はその軸方向への線膨張係数が電磁鋼板５２より非常に低い（ネオジム磁石の場合、−０．５×１０-6／Ｋ）ので殆ど軸方向には寸法変化せず、この状態で接着剤６２が硬化して永久磁石５６と電磁鋼板５２とが接着固定される。
【００１０】
次に、ロータコア５４の温度が電動機の使用温度の下限まで下降した場合、電磁鋼板５２は主に軸方向に収縮するが、電磁鋼板５２は永久磁石５６に接着固定されているので、図１１（ｃ）に示すように、電磁鋼板５２の永久磁石５６に近い部位は収縮せず、ロータコア５４の周面や中心に近い部分が温度低下に伴い収縮する。すると、ロータコア５４に歪みが生じ、歪み応力が溜まった状態となる。さらに、場合によっては図１１（ｄ）に示すように、歪み応力によって電磁鋼板５２に割れ６４等や、図示していないがロータシャフトの曲がり、永久磁石５６の割れや損傷が生じる場合もある。
【００１１】
特許文献１に記載の技術は、磁石の間に隙間を設けることで、複数の磁石が連なることによる歪み応力が生じないようにしたものと解される。しかし、このような技術をＩＰＭ構造に適用する場合、磁石の間に一定の空間を設けることは構造上及び製造上の観点からみて実現が困難である。一方ＳＰＭ構造に適用する場合でも、一定空間を保つためのジグ等を工夫して磁石を位置決めする必要があり、製造上の難点がある。
【００１２】
また特許文献１では、磁石間の隙間に接着剤を埋めること、さらに該接着剤にポリエチレン製又はシリコーンゴム製のビーズを添加することも提案されている。しかし、確実に磁石の間に接着剤を充填することは、接着剤の特性と作業者の熟練度に依存する困難な作業であり、表面にはみ出した接着剤を除去しなければならないという問題もある。また、接着剤にビーズを添加することは、接着剤の特性に影響を及ぼす可能性があることに加え、ビーズの密度にばらつきが生じやすく、接着効果が安定しない可能性もある。
【００１３】
一方、特許文献２に記載の構造は、磁石の軸方向の面に弾性の薄板を貼り、その弾性の薄板に圧縮力かかるように回転子の軸方向の両端から締結板によって締結力を与えるものと解される。しかし特許文献２では永久磁石の固定に接着剤を用いておらず、故に線膨張係数の違いに起因する歪みを吸収するものではない。さらに特許文献２の発明の目的は、ロータ製造時の磁石の挿入・固定をする際の磁石の破損を防止するものと解され、温度歪みに伴う不具合を解消するものではない。
【００１４】
そこで本発明は、温度変化に起因する歪みを生じることがなく、かつ製造上の問題を生じないロータ構造を有する電動機、及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記目的を達成するために、本願第１の発明は、ステータ及び該ステータに対して回転可能に構成されたロータを有する電動機であって、前記ロータは、電磁鋼板を積層してなるロータコアと、前記ロータの回転軸方向に連ねて配置され、接着剤により前記電磁鋼板に接着固定された複数の永久磁石と、前記回転軸方向について隣接する永久磁石間に配置された介挿部材と、を有し、前記介挿部材の前記回転軸方向の厚さは、前記ロータの製造時の温度範囲内において、前記ロータコアに接着された隣接する永久磁石が、前記電動機の使用温度の下限で互いに接触しない厚さである、電動機を提供する。
【００１６】
第２の発明は、第１の発明において、前記介挿部材が弾性変形又は塑性変形する部材である、電動機を提供する。
【００１７】
第３の発明は、第１又は第２の発明において、前記永久磁石が、前記ロータコアに設けた回転軸方向に延びる磁石挿入孔内に接着固定される、電動機を提供する。
【００１８】
第４の発明は、第１又は第２の発明において、前記永久磁石が、前記ロータコアの表面に接着固定される、電動機を提供する。
【００１９】
第５の発明は、ステータ及び該ステータに対して回転可能に構成されたロータを有する電動機の製造方法であって、電磁鋼板を積層してロータコアを形成することと、複数の永久磁石を前記ロータの回転軸方向に連ねて配置し、接着剤により前記電磁鋼板に固定することと、前記回転軸方向について隣接する永久磁石間に、介挿部材を配置することと、を有し、前記介挿部材の前記回転軸方向の厚さは、前記ロータの製造時の温度範囲内において、前記ロータコアに接着された隣接する永久磁石が、前記電動機の使用温度の下限で互いに接触しない厚さである、電動機の製造方法を提供する。
【００２０】
第６の発明は、第５の発明において、前記接着剤を硬化させた後に前記ロータをさらに加熱し、前記介挿部材を融解させて前記隣接する永久磁石間から流出させることをさらに含む、電動機の製造方法を提供する。
【００２１】
第７の発明は、第５又は第６の発明において、前記永久磁石及び前記介挿部材を、前記ロータコアに形成された磁石挿入孔に交互に挿入することを含む、電動機の製造方法を提供する。
【００２２】
第８の発明は、第５又は第６の発明において、前記介挿部材を、予め永久磁石の前記回転軸方向端面に接着しておくことを含む、電動機の製造方法を提供する。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、ロータの温度が、永久磁石が接着されたときの温度から低下して、電磁鋼板と磁石との間に軸方向長さの差が生じても、その差は永久磁石間に配置された介挿部材の変形によって吸収されるので、ロータの損傷等の不具合を防止できる。
【００２４】
従来のように連なる磁石の間に隙間を設ける必要はなく、ＳＰＭ構造でも磁石をロータ表面に軸方向に連ねて接着するため、意図的に隙間を開ける必要はない。また、特殊な接着剤を使用する必要はなく、また接着に際しては、永久磁石とロータコアと接着すればよく、永久磁石間を接着する必要はない。従って接着剤のはみ出しはなく、はみ出した接着剤を拭う必要もない。
【００２５】
少なくとも接着が硬化するまでの間、連なる磁石の間に存在する部材の場合は、製造工程で部材が磁石の間からなくなるので、磁石の間は空間となる。このため、ロータが軸方向に長くても歪み応力はたまることがなく、ロータの曲がりは発生しない。また、磁石の割れや接着剤の割れも防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の一実施形態に係る電動機の概略構成を示す図である。
【図２】図１の電動機のロータの回転軸方向断面を示す図である。
【図３】永久磁石間に配置される介挿部材がシート状部材である例を示す図である。
【図４】介挿部材がシリコン樹脂又は発泡ウレタンを塗布したものである例を示す図である。
【図５】介挿部材が発泡スチロール製のビーズである例を示す図である。
【図６】介挿部材が波形状の金属又は樹脂である例を示す図である。
【図７】図２のロータの製造方法を説明する図である。
【図８】図２のロータの他の製造方法を説明する図である。
【図９】図２のロータが有する介挿部材の作用効果を説明する図である。
【図１０】本発明の他の実施形態に係る電動機のロータの回転軸方向断面を示す図である。
【図１１】従来技術に係る電動機のロータの軸方向断面を示す図であって、（ａ）接着剤硬化前の状態を示し、（ｂ）接着剤の硬化温度まで上昇した場合を示し、（ｃ）（ｂ）の状態から、ロータの温度が使用温度の下限まで下降した場合を示し、（ｄ）ロータの積層鋼板の一部に割れが生じた場合を示している。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
図１は、本発明の一実施形態に係る電動機１０の概略構成を示す図である。電動機１０は、回転軸であるシャフト１２が挿入されたロータ１４と、環状の電磁鋼板１６を積層してなるステータ１８と、ロータ１４及びステータ１８を収容するとともにシャフト１２を軸受２０によって回転可能に支持するケーシング２２とを有する。なおロータ１４以外の構成要素については従来のものと同様でよいので、詳細な説明は省略する。
【００２８】
図２は、図１の電動機１０のロータ１４を示す図である。図２のロータ１４は、永久磁石が埋め込まれたＩＰＭ構造のロータであり、環状の電磁鋼板２４を積層してなるロータコア２６と、ロータコア２６に埋め込まれた複数の永久磁石２８と、電磁鋼板２４を回転軸方向両側から挟持する２つの端板３０とを有する。永久磁石２８の各々は、例えば略板状のネオジム磁石であり、好ましくは互いに同一形状であり、図２に示すように回転軸方向に連ねて配置、より詳細には各々の端面を対向させてロータの回転軸方向に長い平板状に構成され、ロータコア２６に設けた回転軸方向に延びる磁石挿入孔すなわちスロット３２内に挿入される。永久磁石２８の各々の主表面３４及び３６は、温度硬化型の接着剤（含浸剤）３８によってスロット３２の内表面に接着される。また永久磁石２８の各々は互いに接触せず、その端面間には、変形可能な介挿部材４０が配置される。
【００２９】
介挿部材４０は、弾性変形又は塑性変形可能な部材であり、ロータの回転軸方向についての介挿部材４０の厚さは、ロータ製造時の温度範囲内において、ロータコア２６に接着された隣接する永久磁石２８が、電動機の使用温度の下限温度において互いに接触しないように設定される。これについては後述する。
【００３０】
図３〜図６は、上述の介挿部材４０の種々の具体例を示す図である。先ず図３は、介挿部材がゴムや樹脂等の弾性変形又は塑性変形可能なシート状部材４０ａである場合を示しており、シート状部材４０ａは、永久磁石２８の回転軸方向端面に接着剤等により貼り付けられ、介挿部材として機能する。
【００３１】
図４は、介挿部材が、硬化後にゴムのような弾性を有する液状樹脂４０ｂである場合を示しており、液状樹脂４０ｂは、ヘラ４２等を用いて永久磁石２８の回転軸方向端面に塗布され、その後硬化することにより介挿部材として機能する。
【００３２】
図５は、介挿部材が発泡スチロールのような弾性変形又は塑性変形する材料からなるビーズ４０ｃである場合を示しており、ビーズ４０ｃは、永久磁石２８の回転軸方向端面に接着剤等により貼り付けられ、介挿部材として機能する。
【００３３】
図６は、介挿部材が、樹脂板又は金属板等を波板状に形成して弾性を有するようにした波板状部材４０ｄである場合を示しており、波板状部材４０ｄは、永久磁石２８の回転軸方向端面に接着剤等により貼り付けられ、介挿部材として機能する。
【００３４】
また介挿部材としては、図３〜図６に記載したもの以外にも、例えば、融点が接着剤の硬化温度よりは高いが比較的低い（その融点温度では電動機が悪影響を受けない）樹脂や金属（例えばスズ（融点２３２℃）や低融点金属（融点１３８℃、ビスマス・スズ・鉛・カドミウム合金））を使用することもできる。すなわち、接着剤（含浸剤）の硬化温度より高い温度で融解する部材を使用する場合、接着剤を加熱硬化させる工程において、接着剤を硬化させた後にさらに温度を上げて介挿部材を融解させ、永久磁石間から流出させることにより、磁石間に適切な空間を設けることができる。
【００３５】
次に、図２に示したＩＰＭ構造のロータの製造方法について、図７及び図８を参照しつつ説明する。先ず図７の例では、予め永久磁石２８の回転軸方向端面に介挿部材４０を接着又は塗布しておき、その永久磁石２８を、電磁鋼板２４の積層体に設けたスロット３２内に順次（図示例では１つのスロット３２について５枚）挿入する。次に、スロット３２の内表面と永久磁石２８の主表面との間に加熱硬化型の接着剤を含浸させ、ロータコア２６を該接着剤の硬化温度又はそれ以上に加熱することにより、永久磁石２８をロータコア２６に接着固定する。
【００３６】
図８の例では、図７のように予め永久磁石２８の回転軸方向端面に介挿部材４０を接着又は塗布しておくのではなく、永久磁石２８と介挿部材４０とを交互にスロット３２内に挿入していく。このとき、永久磁石２８と介挿部材４０とを接着する必要はない。その後、スロット３２の内表面と永久磁石２８の主表面との間に加熱硬化型の接着剤を含浸させ、ロータコア２６を該接着剤の硬化温度又はそれ以上に加熱することにより、永久磁石２８をロータコア２６に接着固定する点は、図７の例と同様である。
【００３７】
次に、永久磁石２８間に配置された介挿部材４０の作用について、図９を参照しつつ説明する。図９（ａ）は、スロット３２の内表面と永久磁石２８の主表面との間に含浸された接着剤３８が硬化する前（一般に常温）の、ロータコア２６の一部を示す。図９（ａ）の状態から、ロータコア２６（少なくとも接着剤３８周辺）の温度が接着剤３８の硬化温度まで上昇した場合、図９（ｂ）に示すように、線膨張係数が比較的高い（例えば１２×１０-6／Ｋ）電磁鋼板２４は主にロータコア２６の回転軸方向（左右方向）に膨張する一方、永久磁石２８の軸方向への線膨張係数は電磁鋼板２４より非常に低い（ネオジム磁石の場合、−０．５×１０-6／Ｋ）ので殆ど軸方向には寸法変化せず、この状態で接着剤３８が硬化して永久磁石２８と電磁鋼板２４とが接着される。
【００３８】
次に、ロータコア２６の温度が電動機の使用温度の下限まで下降した場合、電磁鋼板２４は主に回転軸方向に収縮するが、永久磁石２８は殆ど寸法変化せず、かつ永久磁石２８は電磁鋼板２４に接着固定されているので、図９（ｃ）に示すように、永久磁石２８間の軸方向距離が小さくなり、より具体的に言えば隣接する永久磁石２８の端面間の距離が小さくなる。しかし、上述のように永久磁石２８の端面間には変形可能な介挿部材４０が配置されているので、介挿部材４０が軸方向に圧縮変形することにより、ロータコア２６の歪みが吸収され、図１１で説明したような不具合は生じない。なお介挿部材４０の厚さは、図９（ｃ）に示すように使用温度の下限においても隣接する永久磁石２８が互いに接触しないような厚さに設定される。
【００３９】
なお電磁鋼板２４は温度変化によってロータの径方向（図９の上下方向）にも寸法変化するが、永久磁石２８はその着磁方向（磁化容易軸方向）、すなわちロータの回転軸方向については比較的高い線膨張係数（例えばネオジム磁石の場合、６．５×１０-6／Ｋ）を有するので、ロータ径方向についての温度歪みは問題とならない。
【００４０】
図１０は、本願発明に係る電動機のロータの他の形態として、永久磁石が表面に取り付けられたＳＰＭ構造のロータ１１４を示す図である。ロータ１１４は、環状の電磁鋼板１２４を積層してなるロータコア１２６と、ロータコア１２６の表面に接着された複数の永久磁石１２８と、電磁鋼板１２４を回転軸方向両側から挟持する２つの端板１３０とを有する。永久磁石１２８の各々は、例えば略板状のネオジム磁石であり、好ましくは互いに同一形状であり、図１０に示すように回転軸方向に連ねて配置、より詳細には各々の端面を対向させてロータの回転軸方向に長い湾曲した板状に構成され、ロータコア１２６の外周側面に接着固定される。より詳細には、永久磁石１２８の各々の主表面１３４及び１３６のうち凹側の面１３６が、温度硬化型の接着剤１３８によってロータコア１２６の略円筒状の側面に接着される。また永久磁石１２８の各々は互いに接触はせず、その端面間には、変形可能な介挿部材１４０が配置される。
【００４１】
なおロータコア１２６の外表面への永久磁石１２８の接着においては、図１０の１２８ａに示すように複数の永久磁石１２８を介挿部材１４０を介して連結したものをロータコア１２６に接着してもよいし、各永久磁石１２８の一端に介挿部材１４０を取り付けたものを順次ロータコア１２６に接着してもよい。
【００４２】
介挿部材１４０は、ＩＰＭ構造のロータについて説明した介挿部材４０と同様のものでよく、またその作用効果も同様なので、詳細な説明は省略する。このように本願発明は、永久磁石をロータコアに埋め込むタイプ（ＩＰＭ）、及びロータコアの外表面に接着固定するタイプ（ＳＰＭ）のいずれに対しても、好適に適用することができる。
【００４３】
なお、本実施形態では永久磁石がネオジム磁石である例を説明したが、本願発明はこれに限られず、例えば永久磁石はフェライト磁石でもよい。本願発明は、永久磁石と電磁鋼板（鉄）との回転軸方向の線膨張係数が異なる場合に適用可能である。
【符号の説明】
【００４４】
１０    電動機
１２    シャフト
１４、１１４    ロータ
１８    ステータ
２４、１２４    電磁鋼板
２６、１２６    ロータコア
２８、１２８    永久磁石
３０、１３０    端板
３８、１３８    接着剤
４０、１４０    介挿部材
【図１】
0005486036.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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