(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸に一体回転可能に固定され、周方向に間隔をおいて複数の磁石取付孔が軸線方向に延びて形成された鋳鉄からなるロータコアと、
前記各磁石取付孔内に埋め込まれて固定された永久磁石と、を備えた回転電機用ロータの製造方法において、
前記磁石取付孔が配設された前記ロータコアを前記鋳鉄により成形するロータコア成形工程と、
前記ロータコアの前記各磁石取付孔に磁性粉末材料を充填する充填工程と、
前記ロータコアの一方側端部に密着して配置され、前記磁石取付孔に対向する孔が形成されたダイスと、前記ダイスの孔に打ち込まれるパンチとを用いて前記各磁石取付孔に充填された前記磁性粉末材料を圧縮成形する圧縮成形工程と、を備え、
前記ロータコア成形工程では、前記ロータコアの前記軸線方向の一端部から他端部に向かって穴寸法が短くなるテーパ内面を有した前記磁石取付孔が鋳型により形成され、
前記圧縮成形工程は、前記テーパ内面を有した状態の前記磁石取付孔の一方側と前記ダイスの孔とを前記軸線方向に対向するように配置し、前記ダイスの孔に対して前記パンチを前記軸線方向に打ち込むことを特徴とする回転電機用ロータの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電動モータおよび発電機として用いられる回転電機用ロータの製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、回転電機には、ロータコアに永久磁石を埋め込み固定した、いわゆる埋込磁石型のロータを備えたものがある。この回転電機用ロータは、例えば電磁鋼板を積層したロータコアに形成された軸線方向に延出する一字形やＵ字形の磁石取付孔（スロット）に、永久磁石を挿入または成形して径方向と直交するように配置したものが知られている。こうした埋込磁石型のロータを備えた回転電機（ＩＰＭモータ）では、永久磁石によるマグネットトルクのみならず、リラクタンストルクが発生するため、ロータコアの表面に永久磁石を固着した、いわゆる表面磁石型のロータを備えた回転電機（ＳＰＭモータ）に比べ、高いトルクが得られる。
【０００３】
そして、ＩＰＭモータのロータに用いられる永久磁石として、形状の自由度や加工のし易さなどの観点からボンド磁石が用いられる場合がある。このボンド磁石では、電磁鋼板を積層して形成されたロータコアの磁石取付孔に、例えば希土類系の磁性粉末材料を充填してプレス装置のダイスとパンチとにより圧縮成形を行なうことで、永久磁石として製造される方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−４４７９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記のような圧縮成形を用いた方法では、ロータコアに形成された複数の磁石取付孔に直接パンチを打ち込んで繰り返し磁性粉末材料を圧縮成形するため、パンチと磁石取付孔との側面の隙間に磁性粉末材料が漏れ出る可能性がある。その結果、噛み込みや圧縮不足が発生するおそれがある。このため、圧縮成形によりロータコアに永久磁石を配置するには磁石取付孔の高い寸法精度を確保する必要があり、磁石取付孔を精度よく加工すると加工コストが高くなる。
【０００６】
また、電磁鋼板を積層してロータコアを成形する場合、例えばＵ字形に成形された永久磁石を配置すると、電磁鋼板は飽和磁束密度が低くロータコアの外周側付近で磁束密度が飽和して磁束密度を十分に高くすることができないため、永久磁石の有効な磁束数が減少しロータの磁気特性が悪くなる。これにより、高いトルクを出力できるロータコアおよびロータを製造し、さらにはＩＰＭモータを得ることが難しい。
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、圧縮成形によりロータコアに形成される永久磁石の低コスト化を図るとともに高トルクを出力可能な磁石埋込型の回転電機用ロータ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】
【００１０】
請求項１に記載の発明は、回転軸に一体回転可能に固定され、周方向に間隔をおいて複数の磁石取付孔が軸線方向に延びて形成された鋳鉄からなるロータコアと、前記各磁石取付孔内に埋め込まれて固定された永久磁石と、を備えた回転電機用ロータの製造方法において、前記磁石取付孔が配設された前記ロータコアを前記鋳鉄により成形するロータコア成形工程と、前記ロータコアの前記各磁石取付孔に磁性粉末材料を充填する充填工程と、前記ロータコアの一方側端部に密着して配置され、前記磁石取付孔に対向する孔が形成されたダイスと、前記ダイスの孔に打ち込まれるパンチとを用いて前記各磁石取付孔に充填された前記磁性粉末材料を圧縮成形する圧縮成形工程と、を備え、前記ロータコア成形工程では、前記ロータコアの前記軸線方向の一端部から他端部に向かって穴寸法が短くなるテーパ内面を有した前記磁石取付孔が鋳型により形成され、前記圧縮成形工程は、前記テーパ内面を有した状態の前記磁石取付孔の一方側と前記ダイスの孔とを前記軸線方向に対向するように配置し、前記ダイスの孔に対して前記パンチを前記軸線方向に打ち込むことを要旨とする。
【００１１】
上記構成によれば、磁石取付孔が形成されたロータコアを鋳鉄により成形し（ロータコア成形工程）、ロータコアに形成された磁石取付孔に磁性粉末材料を充填する（充填工程）。その後、ロータコアの軸線方向の一方側端部に密着して配置したダイスの孔にパンチを打ち込み、磁性粉末材料を圧縮して（圧縮成形工程）から永久磁石を形成する。その結果、磁性粉末材料は、ダイスとパンチとに押下されて磁石取付孔から漏れ出ることがない。このため、飽和磁束密度が高く、磁石取付孔の寸法精度を必要としないロータコアを成形することができる。これにより、永久磁石を形成するための加工コストを低減し、高いトルクを出力できるロータを製造することができる。
【００１３】
また、上記構成によれば、磁石取付孔の軸線方向の一方側にダイスを配置し、ダイスの孔にパンチを軸線方向に打ち込むことで、圧縮により圧縮成形体を成形する。これにより、磁石取付孔のテーパ内面が形成されたままの状態であっても圧縮成形ができるので、磁石取付孔を精度よく追加加工する必要がなくなる。その結果、コスト低減効果が期待できる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、圧縮成形によりロータコアに形成される永久磁石の低コスト化を図るとともに高トルクを出力可能な磁石埋込型の回転電機用ロータの製造方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態に係る回転電機用ロータの断面図。
【図２】図１におけるＸ−Ｘ方向から見たロータコアの永久磁石部分の縦断面図。
【図３】回転電機用ロータの製造プロセスを示す図。
【図４】（ａ）〜（ｃ）は、圧縮成形により永久磁石を形成する各工程を説明する概略図。（ａ）は、永久磁石を形成する前のロータコアの配置工程、（ｂ）は、磁性粉末材料の充填工程、（ｃ）は、圧縮成形工程を示す図。
【図５】本発明の他の実施形態に係る回転電機用ロータの断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に、本発明の実施形態の回転電機に用いられる回転電機用ロータ１について、ＩＰＭモータのロータの図に基づいて説明する。なお、以下の説明において、径方向および軸線方向とは、回転電機用ロータ１（ロータコア２）の半径方向および軸方向を指す。
【００１７】
図１は、本発明の一実施形態に係る回転電機用ロータ（以下、ロータという）１の断面図である。
回転電機は、例えば車両に搭載され、ステアリング操作を補助する電動パワーステアリング装置や油圧を発生させる電動オイルポンプ装置の駆動源用の電動モータ（例えば、３相のブラシレスモータ等）として用いられる。
【００１８】
図１に示すように、ロータ１は、回転電機（本実施形態では、ＩＰＭモータ）の回転軸５と一体回転可能に固定される円柱状のロータコア２と永久磁石３とから構成されている。ロータコア２には、複数（本実施形態では、１０個）の永久磁石３がロータコア２内にそれぞれ埋設されて固定されている。すなわち、本実施形態のロータ１は、いわゆる埋込磁石型のロータとして構成されている。このように構成された回転電機は、図示しないステータの各コイルに駆動電力が供給されることにより形成される磁界と、永久磁石３の磁束との間に発生する磁気的な吸引力および反発力によりロータ１が回転する構成となっている。
【００１９】
ロータコア２は、鉄等を使用して略円柱状に成形されており、回転電機の回転軸５が挿入される挿入孔６を有している。ロータコア２には、永久磁石３がそれぞれ内部に配置される複数（本実施形態では、１０個）の略Ｕ字状の磁石取付孔４が形成されている。なお、本実施形態の磁石取付孔４は、それぞれ永久磁石３の断面形状と略同一の断面形状を有する孔（空洞）状に形成されている。
【００２０】
詳しくは、ロータコア２は鋳鉄（例えば、球状黒鉛鋳鉄等）を使用して鋳造により成形されている。鋳鉄は、鉄を主成分とした炭素を含有した軟磁性材料であり、炭素を多く含む球状黒鉛鋳鉄はロータコア２の強度確保に有効である。また、各磁石取付孔４はロータコア２の成形時に鋳型（例えば、砂型等）によって形成されている。
【００２１】
各永久磁石３は、ロータコア２の外周縁の近傍に等間隔で軸線方向に貫通形成された１０個の略Ｕ字状の磁石取付孔４にそれぞれ収容され、ロータコア２に固定保持されている。磁石取付孔４は、径方向外側の両先端部（Ｕ字先端部）から周方向に対向して径方向内側に向かうにつれて互いに近接するように延びて、回転軸５側の径方向内側部分（Ｕ字底部）が凸となる略円弧状に形成されている。
【００２２】
また、本実施形態の永久磁石３には、微小な磁粉（磁性粉末材料、一部潤滑剤を含む場合もある）を成形固化した希土類系（例えば、サマリウム鉄窒素等）の磁石が用いられている。サマリウム鉄窒素は、保磁力の高い磁石を形成する硬磁性材料である。磁性粉末材料が磁石取付孔４内に圧縮成形されて磁粉圧縮成形体が成形された後、着磁（磁化）されて永久磁石３が形成されるようになっている。さらに、永久磁石３は、周方向において一方の極性（例えば、Ｓ極）が対向するように着磁されている。そして、隣り合う永久磁石３と周方向において他方の極性（例えば、Ｎ極）が対向する。
【００２３】
図２は、図１におけるＸ−Ｘ方向から見たロータコア２の永久磁石３部分の縦断面図である。
図２に示すように、ロータコア２の挿入孔６の軸線方向が垂直方向となる状態で、磁石取付孔４は上端部（一端部）から下端部（他端部）に向かって穴寸法が短くなるテーパ内面１３が形成され、永久磁石（磁粉圧縮成形体）３が埋め込まれている。
【００２４】
ロータコア２は鋳鉄（本実施形態では、球状黒鉛鋳鉄（ＦＣＤ））を使用して鋳造され、鋳型により複数（本実施形態では、１０個）の磁石取付孔４が同時に形成される。このとき、鋳造の抜き勾配（例えば、１〜２°程度）によりテーパ内面１３が形成される。
【００２５】
永久磁石３は、保磁力が大きい磁粉（磁性粉末材料、本実施形態では、サマリウム鉄窒素）１１を使用してダイス７とパンチ９とからなるプレス装置により圧縮成形することにより形成される。なお、球状黒鉛鋳鉄は、ねずみ鋳鉄（普通鋳鉄）に対して数倍の強度を有し、靭性（粘り強さ）が優れているため、高い強度を必要とするロータコア２に適している。
【００２６】
次に、磁石埋込型のロータ１の製造方法について説明する。
図３は、ロータ１の製造プロセスを示す図、図４（ａ）〜（ｃ）は、圧縮成形により永久磁石３を形成する各工程を説明する概略図であり、（ａ）は、永久磁石３を形成する前のロータコア２の配置工程、（ｂ）は、磁性粉末材料１１の充填工程、（ｃ）は、圧縮成形工程を示す図である。
【００２７】
まず、鋳鉄（本実施形態では、球状黒鉛鋳鉄）を使用して鋳造によりロータコア２を成形する（ステップＳ３０１、ロータコア成形工程）。このとき併せて、ロータコア２にテーパ内面１３を有した複数（本実施形態では、１０個）の磁石取付孔４が鋳型により形成される。
【００２８】
次に、ロータコア２の軸線方向が垂直方向になるように、パンチ９を上昇させた状態で下側のプレス台１０と上側のダイス７との間にロータコア２を配置する（ステップＳ３０２、配置工程）。ロータコア２の上面（一方側端部）とダイス７の下面とが密着し、磁石取付孔４の上側（一方側）とダイス７に設けられたパンチ孔８とは連通する。
【００２９】
続いて、ダイス７に設けられたパンチ孔８を通して磁石取付孔４およびパンチ孔８内に磁性粉末材料１１を充填する（ステップＳ３０３、充填工程）。パンチ孔８内に充填される磁性粉末材料１１の量（質量）は圧縮率により決定される。
【００３０】
そして、パンチ９をダイス７のパンチ孔８（例えば、パンチ９との側面の隙間を磁粉径以下に形成された）に打ち込み、磁性粉末材料１１を圧縮成形する（ステップＳ３０４、圧縮成形工程）。圧縮成形は、全ての磁石取付孔４内の磁性粉末材料１１に対して一度に行なわれる。
【００３１】
その後、ロータコア２の磁石取付孔４内に成形固定された磁粉圧縮成形体１２に対して磁界を印加することで着磁（磁化）処理を行ない、永久磁石３を形成する。（ステップＳ３０５、着磁工程）。
【００３２】
具体的には、図４（ａ）に示すように、下側のプレス台１０と上側のダイス７との間に、ダイス７のパンチ孔８とロータコア２の磁石取付孔４とが対向するようにロータコア２を配置する（配置工程）。このとき、パンチ９は上昇した状態にある。
【００３３】
次に、図４（ｂ）に示すように、磁性粉末材料１１がダイス７に設けられたパンチ孔８を通して上下方向に磁石取付孔４内に充填される（充填工程）。ダイス７の高さは、磁性粉末材料１１の見掛け密度と、磁石取付孔４内の圧縮された磁粉圧縮成形体１２の密度との間の比率により設定される（容積縮小の尺度となる圧縮率は磁粉材料および成形圧力により異なり、例えば圧縮比が３倍の場合、成形後の磁粉圧縮成形体１２は充填された磁性粉末材料１１量の１／３になる）。
【００３４】
そして、図４（ｃ）に示すように、ダイス７のパンチ孔８にパンチ９を打ち込み、パンチ孔８の部分に充填された磁性粉末材料１１を磁石取付孔４側に向かって一度に圧縮成形する（圧縮成形工程）。磁性粉末材料１１は磁石取付孔４内に圧縮され、磁粉圧縮成形体１２が成形される。なお、パンチ孔８とパンチ９との寸法精度が高いため、磁性粉末材料１１がパンチ孔８とパンチ９との側面の隙間に入り込むことがなく圧縮成形される。
【００３５】
以上のように、ロータコア２の磁石取付孔４の軸線方向にテーパ内面１３が形成されていても追加加工することなく、ダイス７とパンチ９とを用いて磁性粉末材料１１を圧縮成形することができる。
【００３６】
次に、上記のように構成された本発明の実施形態に係るロータ１の作用および効果について説明する。
【００３７】
上記実施形態によれば、鋳鉄（本実施形態では、球状黒鉛鋳鉄）を使用して成形されたロータコア２に形成された磁石取付孔４内に磁性粉末材料（本実施形態では、サマリウム鉄窒素）１１を圧縮成形することにより永久磁石３を形成する。このため、飽和磁束密度の高いロータコア２を成形し、圧縮により容易に成形可能な永久磁石３を埋め込んだロータ１を形成することができる。これにより、高いトルクを出力可能なロータ１を実現することができる。
【００３８】
また、ロータコア２を鋳鉄により成形し（ロータコア成形工程）、ロータコア２に形成された磁石取付孔４内に磁性粉末材料１１を充填する（充填工程）。そして、ロータコア２の軸線方向の上側端部に密着して配置したダイス７に設けられたパンチ孔８にパンチ９を打ち込み、磁性粉末材料１１を圧縮して（圧縮成形工程）、その後、永久磁石３を形成する。その結果、磁性粉末材料１１は、ダイス７とパンチ９とに押下されて磁石取付孔４から漏れ出ることがない。このため、飽和磁束密度が高く、磁石取付孔４の寸法精度を必要としないロータコア２を成形することができる。これにより、加工コストを低減し高いトルクを出力可能なロータ１を製造することができる。
【００３９】
さらに、磁石取付孔４の軸線方向のテーパ内面１３の上端部にダイス７を配置し、パンチ孔８にパンチ９を軸線方向に打ち込むことで、磁性粉末材料１１を圧縮し磁粉圧縮成形体１２を成形する。これにより、磁石取付孔４内にテーパ内面１３が形成されたままの状態であっても圧縮成形を行なうことができるので、磁石取付孔４を精度よく追加加工する必要がなくなる。その結果、コスト低減効果が期待できる。
【００４０】
以上のように、本発明の実施形態によれば、圧縮成形によりロータコアに形成される永久磁石の低コスト化を図るとともに高トルクを出力可能な磁石埋込型の回転電機用ロータおよびその製造方法を提供することができる。
【００４１】
以上、本発明に係る実施形態について説明したが、本発明はさらに他の形態で実施することも可能である。
【００４２】
上記実施形態では、鋳鉄を使用して鋳造によりロータコア２を形成する場合について説明したが、これに限定されるものでなく、他の方法、例えば鍛造やプレスによる打ち抜き等によりロータコア２を形成するようにしてもよい。
【００４３】
上記実施形態では、磁石取付孔４に充填された磁性粉末材料１１を１回のパンチ９の打ち込みで一度に圧縮成形を行なう場合について説明したが、これに限定されるものでなく、パンチ９の打ち込みを数回に分けて圧縮するようにしてもよい。
【００４４】
上記実施形態では、圧縮成形を行なった後に磁界を印加し、着磁処理を行なう例を示したが、これに限定されるものでなく、磁界を印加しながら圧縮成形を行なってもよい。
【００４５】
上記実施形態では、１０個の磁石取付孔４が設けられ、永久磁石３は周方向において一方の極性が対向し、隣り合う永久磁石３と周方向において他方の極性が対向する例を示したが、これに限定されるものでない。
図５は、本発明の他の実施形態に係るロータ１の断面図である。図５に示すように、周方向において一方の極性（本実施形態では、Ｎ極）が対向するように着磁され、隣り合う永久磁石３と周方向において他方の極性（本実施形態では、Ｓ極）が対向するように配置されたものであってもよい。
【００４６】
上記実施形態において、上下方向のブロー方式により充填するのに対して他の方法、例えば圧縮空気を側壁から噴射して低密度の磁性粉末材料１１をゆっくりと投入するエアーレーション方式を用いて充填するようにしてもよい。また、圧縮方法も上下両押しのパンチを使用したり（例えば、ウイズドロアル法等）、振動を印加しながら圧縮するようにしてもよい。
【００４７】
上記実施形態では、本発明を電動パワーステアリング装置や電動オイルポンプ装置などの駆動源に用いられる電動モータ（ＩＰＭモータ）に具体化したが、これに限定されるものでなく、他の装置の駆動源用モータとして用いてもよい。また、発電機として用いてもよい。
【符号の説明】
【００４８】
１：回転電機用ロータ、２：ロータコア、３：永久磁石、４：磁石取付孔、５：回転軸、６：挿入孔、７：ダイス、８：パンチ孔、９：パンチ、１０：プレス台、
１１：磁性粉末材料、１２：磁粉圧縮成形体、１３：テーパ内面
【図１】
0006519294.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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