(57)【要約】【課題】ロータコアを複数の分割コアで構成しながらも、モータの出力トルクを確保できる磁石埋込型ロータを提供する。【解決手段】この磁石埋込型ロータは、円筒状のロータコアと、ロータコアに埋め込まれる永久磁石４２とを備える。ロータコアは、外周側にＮ極を有する分割コア４１、及び外周側にＳ極を有する分割コア４１を周方向に交互に有してなる。ここでは、分割コア４１を、その周方向両端面のなす角をα「°」、分割コア４１の個数をｎとするとき、次式「α＞３６０°／ｎ」なる関係を満たすように成形する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒状のロータコアと、前記ロータコアに埋め込まれる複数の永久磁石と、を備え、
前記ロータコアは、外周側にＮ極を有する分割コア、及び外周側にＳ極を有する分割コアを周方向に交互に有してなる磁石埋込型ロータにおいて、
前記分割コアは、その周方向両端面のなす角をα［°］、分割コアの個数をｎとするとき、次式、
α＞３６０°／ｎ
なる関係を満たすように成形されていることを特徴とする磁石埋込型ロータ。
【請求項２】
請求項１に記載の磁石埋込型ロータにおいて、
前記分割コアは、隣接する分割コアと前記ロータコアの外周側で接触して且つ、前記ロータコアの内周側の端部で離間するように設けられることを特徴とする磁石埋込型ロータ。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の磁石埋込型ロータにおいて、
前記ロータコアの外周に設けられて前記複数の分割コアを円筒状に固定する円筒状部材を更に備えることを特徴とする磁石埋込型ロータ。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の磁石埋込型ロータの製造方法において、
磁石用磁性部材が埋め込まれた複数の分割コアを用意し、前記磁石用磁性部材を着磁して前記永久磁石とする着磁工程を前記複数の分割コア毎に行った後、前記着磁工程を経た複数の分割コアを円筒状に組み合わせて前記ロータコアを成形することを特徴とする磁石埋込型ロータの製造方法。
【請求項５】
請求項４に記載の磁石埋込型ロータの製造方法において、
前記着磁工程が、前記分割コアの周方向両端面及びその内周面を着磁用磁性部材で覆い、前記分割コアの外周面を覆うように着磁ヨークを配置した後、前記着磁ヨークに巻回されたコイルへの通電に基づき前記磁石用磁性部材を着磁することで行われることを特徴とする磁石埋込型ロータの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁石埋込型ロータ、及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ロータの内部に永久磁石を埋め込んだ構造からなるモータ（Ｉｎｔｅｒｉｏｒ  Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ  Ｍａｇｎｅｔ  Ｍｏｔｏｒ、ＩＰＭモータ）が知られている。このＩＰＭモータに用いられるロータとしては、特許文献１に記載のロータがある。
【０００３】
特許文献１に記載のロータは、複数の磁石挿入孔が形成された円筒状のロータコア、及びロータコアに埋め込まれた複数の永久磁石を備えている。ロータコアは、略扇状をなす複数の分割コアにより周方向に等角度間隔で分割されて構成されている。互いに隣接する分割コアの対向面には、嵌合可能な凹部及び凸部からなる嵌合部が形成されており、この嵌合部を通じて、隣接する分割コアが互いに周方向に連結されている。こうした嵌合構造を通じて全ての分割コアが円筒状に組み付けられることでロータコアが構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−２６２４９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、特許文献１に記載のロータのように互いに隣接する分割コアを嵌合部を用いて結合した場合、それらの対向面を密着させることが難しく、隣接する分割コア間に空隙が形成されてしまう。こうした空隙が、ロータにおいて各磁極を構成する永久磁石間に存在すると、それがロータの磁気回路にとって大きな磁気抵抗となるため、ロータから発せられる磁束量が減少してしまう。これがモータの出力トルクを低下させる要因となっている。
【０００６】
本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、ロータコアを複数の分割コアで構成しながらも、モータの出力トルクを確保できる磁石埋込型ロータ、及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、円筒状のロータコアと、前記ロータコアに埋め込まれる複数の永久磁石と、を備え、前記ロータコアが、外周側にＮ極を有する分割コア、及び外周側にＳ極を有する分割コアを周方向に交互に有してなる磁石埋込型ロータにおいて、前記分割コアを、その周方向両端面のなす角をα［°］、分割コアの個数をｎとするとき、次式「α＞３６０°／ｎ」なる関係を満たすように成形することとした。
【０００８】
磁石埋込型ロータにおいて各磁極を構成する永久磁石間の磁束密度は、ロータコアの内周側よりもその外周側の方が高い。したがって、各磁極を構成する永久磁石間のロータコア外周側に空隙が存在すると、それがロータの磁気回路にとって大きな磁気抵抗となり易い。換言すれば、各磁極をなす永久磁石間のロータコア外周側に存在する空隙を少なくできれば、ロータの磁気抵抗を小さくできる。この点、上記構成によれば、複数の分割コアを組み付けて円筒状のロータコアを成形したとき、隣接する分割コア同士がロータコア外周側で接触し易くなるため、各磁極をなす永久磁石間に分割コアの境界線が存在する構造であっても、永久磁石間のロータコア外周側に空隙が形成され難くなる。これによりロータから発せられる磁束量の低下を抑制できるため、モータの出力トルクを確保できる。
【０００９】
上記磁石埋込型ロータについて、前記分割コアを、隣接する分割コアと前記ロータコアの外周側で接触して且つ、前記ロータコアの内周側の端部で離間するように設けることが好ましい。
【００１０】
この構成によれば、分割コア同士をロータコア外周側で確実に接触させることができるため、各磁極をなす永久磁石間のロータコア外周側に空隙が更に形成され難くなる。これによりロータから発せられる磁束量の低下を更に抑制できるため、モータの出力トルクが向上する。
【００１１】
上記磁石埋込型ロータについて、前記ロータコアの外周に設けられて前記複数の分割コアを円筒状に固定する円筒状部材を更に備えることが好ましい。
この構成によれば、複数の分割コアを円筒状に組み合わせた後、それらの外周を円筒状部材で固定するだけで円筒状のロータを容易に成形できる。
【００１２】
上記磁石埋込型ロータの製造方法について、磁石用磁性部材が埋め込まれた複数の分割コアを用意し、前記磁石用磁性部材を着磁して前記永久磁石とする着磁工程を前記複数の分割コア毎に行った後、前記着磁工程を経た複数の分割コアを円筒状に組み合わせて前記ロータコアを成形することが好ましい。
【００１３】
この製造方法のように複数の分割コア毎に着磁を行えば、分割コアの周方向両端面や内周面側に着磁装置を配置できるため、分割コアの内周側に十分な磁束を通すことができる。これにより、磁石用磁性部材のロータコア内周側に位置する部分を着磁し易くなるため、ロータから発せられる磁束を増やすことができる。その結果、モータの出力トルクを高めることができる。
【００１４】
上記磁石埋込型ロータについて、前記着磁工程としては、前記分割コアの周方向両端面及びその内周面を着磁用磁性部材で覆い、前記分割コアの外周面を覆うように着磁ヨークを配置した後、前記着磁ヨークに巻回されたコイルへの通電に基づき前記磁石用磁性部材を着磁することが好ましい。
【００１５】
この製造方法によれば、磁石用磁性部材のロータコア内周側に位置している部分を的確に着磁できる。
【発明の効果】
【００１６】
このような磁石埋込型ロータ、及びその製造方法によれば、ロータコアを複数の分割コアで構成しながらも、モータの出力トルクを確保できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】磁石埋込型ロータの一実施形態について同ロータを用いたＩＰＭモータの断面構造を示す断面図。
【図２】図１の領域Ａの拡大断面構造を示す断面図。
【図３】実施形態の磁石埋込型ロータについてそのロータコアを構成する分割コアの平面構造を示す平面図。
【図４】（ａ）は、実施形態の磁石埋込型ロータの製造方法について分割コアに埋め込まれた磁石用磁性部材を着磁する工程を示す断面図。（ｂ）は、４つの分割コアの外周に円筒状部材を固着する工程を示す平面図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、磁石埋込型ロータの一実施形態について説明する。はじめに、図１を参照して、本実施形態の磁石埋込型ロータを用いたＩＰＭモータの構造について説明する。
図１に示すように、このＩＰＭモータは、ハウジング１の内周面に固定された円筒状のステータ２、図示しない軸受けを介してハウジング１により回転可能に支持される出力軸３、及び出力軸３の外周に一体的に取り付けられるロータ４を備えている。
【００１９】
ステータ２は、その軸方向に複数枚の電磁鋼板を積層した構造からなる。ステータ２の内周面には、径方向内側に向かって延びる６個のティース２０が形成されている。各ティース２０にはステータコイル２１が巻回されている。
【００２０】
ロータ４は、その軸方向に複数枚の電磁鋼板を積層した構造からなる円筒状のロータコア４０、及びロータコア４０の内部に埋め込まれた略Ｕ字状の４つの永久磁石４２を備えている。
【００２１】
ロータコア４０は、その軸方向に直交する方向の断面が略扇形状をなす４つの分割コア４１により等角度間隔で分割されて構成されている。各分割コア４１には、永久磁石４２が挿入される略Ｕ字状の磁石挿入孔４３が軸方向に貫通するようにして形成されている。各分割コア４１は、磁石挿入孔４３に挿入された永久磁石４２により外周側にＮ極及びＳ極のいずれかの磁極を有している。そしてロータコア４０は、外周側にＮ極を有する分割コア４１、及び外周側にＳ極を有する分割コア４１が周方向に交互に配置された４極構造を有している。
【００２２】
ロータコア４０の外周には円筒状部材４４が焼き嵌めされており、この円筒状部材４４により４つの分割コア４１が円筒状に組み合わされた状態で固定されている。また、図中の一点鎖線で囲まれた領域Ａの拡大図を図２に示すように、隣接する２つの分割コア４１は、ロータコア４０の外周側で接触して且つ、ロータコア４０の内周側の端部で離間するように設けられている。なお円筒状部材４４には、磁束の漏洩を防ぐために、ＳＵＳ等の非磁性の金属材料が用いられている。
【００２３】
このように構成されたモータでは、図１に示すステータコイル２１に三相の励磁電流が供給されると、ステータ２により回転磁界が形成される。この回転磁界に基づいてロータ４の内部の永久磁石４２が吸引されることによりロータ４にトルクが付与され、出力軸３が回転する。
【００２４】
次に、本実施形態のロータ４の作用について説明する。
図２に示すように、ロータ４において周方向に並ぶ２つの永久磁石４２間の磁束密度は、ロータコア４０の内周側よりもその外周側の方が高い。したがって、周方向に並ぶ２つの永久磁石４２間のロータコア外周側に空隙が存在すると、それがロータ４の磁気回路にとって大きな磁気抵抗となり易い。換言すれば、周方向に並ぶ２つの永久磁石４２間のロータコア外周側に存在する空隙を少なくできれば、ロータ４の磁気抵抗を小さくできる。
【００２５】
この点、本実施形態では、隣接する分割コア４１がロータコア外周側で密着しているため、２つの永久磁石４２間に分割コア４１の境界線が存在する構造であっても、２つの永久磁石４２間のロータコア外周側に空隙が形成され難くなる。これによりロータ４から発せられる磁束量の低下を抑制できるため、モータの出力トルクを確保できる。
【００２６】
次に、ロータ４の製造方法についてその作用とともに説明する。はじめに図３を参照して分割コア４１の形状について詳述する。なお図３では、ロータコア４０の中心軸をＯ、ロータコア４０の外径をＤ、ロータコア４０の内径をｄでそれぞれ示している。また、ロータ４の中心軸Ｏを中心とし、中心角を９０°、外径をＤとする扇形の外形を二点鎖線で示している。
【００２７】
図３に示すように、分割コア４１は、その外径側円弧直線距離をＬ１、その内径側円弧直線距離をＬ２、ロータ４の極数をｐとするとき、次式（１），（２）を満たす形状を有している。
【００２８】
Ｌ１＞２×Ｄ／２×ｓｉｎ（３６０°／（２×ｐ））・・・（１）
Ｌ２＜２×ｄ／２×ｓｉｎ（３６０°／（２×ｐ））・・・（２）
ここで、本実施形態ではロータ４の極数が４極であるため、分割コア４１は、次式（３），（４）を満たす形状を有している。
【００２９】
Ｌ１＞Ｄ×√２・・・（３）
Ｌ２＜ｄ×√２・・・（４）
換言すれば、分割コア４１は、その周方向両端面のなす角をα「°」、ロータ４を構成する分割コア４１の個数をｎとするとき、次式（５）を満たす形状を有している。
【００３０】
α＞３６０°／ｎ・・・（５）
ここで、本実施形態ではロータ４を構成する分割コア４１の個数が４個であるため、分割コア４１は、次式（６）を満たす形状を有している。
【００３１】
α＞９０°・・（６）
次に、図３及び図４を参照してロータ４の製造方法について説明する。
ロータ４の製造に際してはまず、図３に示すような形状を有する分割コア４１を４つ成形し、それらの磁石挿入孔４３に着磁前の磁石用磁性部材４５を埋め込む。磁石用磁性部材４５としては、例えばボンド磁石や焼結磁石などが用いられる。
【００３２】
続いて、図４（ａ）に示すような着磁装置５を用いて分割コア４１毎に磁石用磁性部材４５の着磁を行う。着磁装置５は、分割コア４１が載置される台座５０、及びコイル５１が巻回された着磁ヨーク５２からなる。
【００３３】
台座５０は、例えば鉄などの磁性部材からなる。本実施形態では、台座５０が着磁用磁性部材となっている。台座５０の上面には、分割コア４１の周方向両端面及びその内周面を覆うことが可能な凹部５０ａが形成されている。
【００３４】
そして、磁石用磁性部材４５の着磁を行う際には、図中に示すように台座５０の凹部５０ａに分割コア４１を載置した後、分割コア４１の外周面を覆うように着磁ヨーク５２を配置する。この状態でコイル５１への通電を行うと、図中に矢印で示すように着磁ヨーク５２から発せられる磁束が分割コア４１の外周面からその周方向両端面及び内周面を通過して台座５０へと流れ、磁石用磁性部材４５が着磁される。こうした着磁工程を４つの分割コア４１毎に行うことで、永久磁石４２が埋め込まれた４つの分割コア４１の成形が完了する。
【００３５】
次いで、図４（ｂ）に示すように、４つの分割コア４１を、それらの周方向両端面の外周端を接触させながら円環状に配置する。そして、これら４つの分割コア４１の外周に円筒状部材４４を焼き嵌めすることにより、４つの分割コア４１の外周に円筒状部材４４を固着させる。
【００３６】
具体的には、円筒状部材４４を予め加熱膨張させておき、その内径を、円筒状に配置した４つの分割コア４１の外径よりも大きくしておく。そして、加熱膨張した円筒状部材４４を、円筒状に配置された４つの分割コア４１の外周に外嵌する。その後、円筒状部材４４が自然冷却により図中に矢印で示すように縮径すると、その過程で円筒状部材４４が各分割コア４１の外周面を中心に向かって押圧する。これにより、隣接する分割コア４１のそれぞれの対向面はロータコア外周側から密着していく。そして、円筒状部材４４の冷却が完了すると、４つの分割コア４１の外周に円筒状部材４４が固着され、円筒状のロータ４が完成する。
【００３７】
このような製造方法によれば、図１及び図２に示したロータ４を容易に製造できる。
一方、従来のロータでは、埋め込まれた磁石用磁性部材を着磁する際、ロータの外周面外側に着磁装置を配置し、そこから発せられる磁束により磁石用磁性部材を着磁するという方法が用いられている。しかしながら、このような着磁方法の場合、ロータの内周側に十分な磁束を通すことができず、磁石用磁性部材のロータコア内周側に位置する部分を着磁することが困難であった。
【００３８】
この点、図４（ａ）に示したように分割コア４１毎に着磁を行うという製造方法を採用すれば、分割コア４１の周方向両端面や内周面を覆うように台座５０を配置できるため、分割コア４１の内周側に十分な磁束を通すことができる。これにより、磁石用磁性部材４５のロータコア内周側に位置する部分を着磁し易くなるため、ロータ４から発せられる磁束が従来の着磁方法を用いる場合と比較して増加する。その結果、モータの出力トルクを高めることができる。
【００３９】
以上説明したように、本実施形態の磁石埋込型ロータ４及びその製造方法によれば以下の効果が得られる。
（１）ロータコア４０を構成する各分割コア４１を、隣接する分割コア４１とロータコア外周側で接触させて且つ、ロータコア内周側の端部で離間して設けることとした。これにより、ロータ４において各磁極を構成する２つの永久磁石４２間に分割コア４１の境界線が存在する構造であっても、ロータ４から発せられる磁束量の低下を抑制できるため、モータの出力トルクを確保できる。
【００４０】
（２）分割コア４１を上記式（１），（２）を満たすように、あるいは上記式（５）を満たすように成形することとした。これにより、隣接する分割コア４１をロータコア外周側で接触させて且つ、ロータコア内周側で離間させるという構造を容易に実現できる。
【００４１】
（３）ロータコア４０の外周には、４つの分割コア４１を円筒状に固定する円筒状部材４４を設けることとした。これにより、４つの分割コア４１を円筒状に組み合わせた後、それらの外周を円筒状部材４４で固定するだけで円筒状のロータ４を容易に成形できる。
【００４２】
（４）ロータ４の製造の際、磁石用磁性部材４５が埋め込まれた４つの分割コア４１を用意し、磁石用磁性部材４５を着磁して永久磁石４２とする着磁工程を４つの分割コア４１毎に行うこととした。そして、着磁工程を経た４つの分割コア４１を円筒状に組み合わせてロータ４を成形することとした。これにより、従来の着磁方法を用いる場合と比較するとロータ４から発せられる磁束が増加するため、モータの出力トルクを高めることができる。また、モータの小型化も期待できる。
【００４３】
（５）着磁工程では、磁性部材からなる台座５０により分割コア４１の周方向両端面及びその内周面を覆い、分割コア４１の外周面を覆うように着磁ヨーク５２を配置した後、着磁ヨーク５２に巻回されたコイル５１への通電に基づき分割コア４１の内部の磁石用磁性部材４５を着磁することとした。これにより、磁石用磁性部材４５のロータコア内周側に位置する部分を的確に着磁できる。
【００４４】
なお、上記実施形態は、これを適宜変更した以下の形態にて実施することもできる。
・上記実施形態では、分割コア４１にＵ字状の永久磁石４２を埋め込むこととしたが、これに代えて、例えばＶ字状の永久磁石やコ字状の永久磁石を分割コア４１に埋め込んでもよい。また、一つの分割コア４１に複数の永久磁石を埋め込み、それら複数の永久磁石により分割コアの外周にＮ極及びＳ極を形成してもよい。
【００４５】
・上記実施形態では、着磁方法として図４（ａ）に例示した方法を採用したが、分割コア４１に埋め込まれる永久磁石の形状によっては、着磁方法を適宜変更してもよい。また、着磁方法の変更に伴い、着磁装置５の形状を適宜変更してもよい。要は、ロータ４の製造の際に分割コア４１毎に着磁を行うものであればよい。
【００４６】
・上記実施形態では、ロータコア４０の外周に円筒状部材４４を焼き嵌めすることにより分割コア４１を円筒状に固定したが、分割コア４１の固定方法は焼き嵌めに限定されるわけではない。例えばロータコア４０の外周に円筒状部材４４を圧入するなどして４つの分割コア４１を固定してもよい。また、例えば４つの分割コア４１の外周を樹脂部材でモールドして４つの分割コア４１を固定してもよい。この場合、４つの分割コア４１の外周に設けられる樹脂部材が円筒状部材となる。要は、円筒状部材は、ロータコア４０の外周に設けられて４つの分割コアを円筒状に固定するものであればよい。
【００４７】
・上記実施形態では、ロータ４の磁極数が４極であったが、ロータ４の極数は例えば２極や８極などに適宜変更してもよい。また、それに応じてロータコア４０を構成する分割コア４１の数や、永久磁石４２の数、ステータ２の形状などを適宜変更してもよい。
【００４８】
・上記実施形態では、分割コア４１の形状として図３に示した形状を採用したが、各分割コア４１を、隣接する分割コアとロータコア外周側で接触して且つ、ロータコア内周側の端部で離間するように配置できれば、分割コア４１の形状は適宜変更可能である。
【符号の説明】
【００４９】
４…磁石埋込型ロータ、４０…ロータコア、４１…分割コア、４２…永久磁石、４４…円筒状部材、４５…磁石用磁性部材、５１…コイル、５２…着磁ヨーク。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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