(57)【要約】【課題】高温使用の回転機に用いられる回転子において、ヨークと永久磁石の隙間を不必要に大きくすることなく円周方向熱膨張係数を用いて適切に設定した回転子を提供する。【解決手段】軟磁性材からなるヨークの外周に、接着剤を介してＮｄ−Ｆｅ系のリング磁石を嵌合固着させた回転子において、リング磁石は、極異方性に配向されており、円周方向熱膨張係数がプラスである回転子とした。また、前記円周方向熱膨張係数はリング磁石の厚さ中心の円周方向において等方性磁石の熱膨張係数より大きいこと。さらに、円周方向熱膨張係数はリング磁石の厚さ中心の円周方向において０．９×１０−６／℃以上であることを特徴とする回転子である。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
軟磁性材からなるヨークの外周に、接着剤を介してＮｄ−Ｆｅ系のリング磁石を嵌合固着させた回転子において、前記リング磁石は、極異方性に配向されており、円周方向熱膨張係数がプラスであることを特徴とする回転子。
【請求項２】
前記円周方向熱膨張係数は、リング磁石の厚さ中心の円周方向において等方性に配向されたリング磁石の熱膨張係数より大きいことを特徴とする請求項１記載の回転子。
【請求項３】
前記円周方向熱膨張係数は、リング磁石の厚さ中心の円周方向において０．９×１０−６／℃以上であることを特徴とする請求項１又は２記載の回転子。
【請求項４】
リング磁石の円周方向任意部分の円周方向配向比率と半径方向の配向比率と無配向比率とを求め、
円周方向比率と配向方向の熱膨張係数α１を乗算したものと、半径方向比率と配向方向に垂直方向の熱膨張係数α２を乗算したものと、無配向比率と無配向の熱膨張係数α３を乗算したものとを加算することにより該部分の円周方向の熱膨張係数を求め、
この処理を円周方向全域にわたって行い、その平均値を円周方向熱膨張係数とすることを特徴とするリング磁石の円周方向熱膨張係数算出方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、モータや発電機などの回転機に用いられる回転子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
リング磁石はモータの回転子を構成する上で、回転方向に単一の磁石を使用するだけでよいので、サーボモータ等に広く用いられている。リング磁石としては、磁気特性が高いＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系の希土類磁石が多用されているが、磁石厚さを薄くすることができる、という利点がある反面、温度が高くなると磁石が割れ易い、という問題がある。これは、鉄系のヨークとＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系希土類磁石の熱膨張係数が大きく異なるためであり、例えば特許文献１や特許文献２に割れ防止のための技術が開示されている。
【０００３】
特許文献１は、厚さの小さい希土類鉄系磁石を、軟磁性材からなるヨークの外周に、接着剤を介して固着させた永久磁石界磁ロータにおいて、ヨーク外周の永久磁石を嵌合させる部分に、少なくともその両端部付近に小幅の周方向突起を設け、筒状の永久磁石とヨークとの嵌合隙間を、前記突起部は小さく、その他の部分は特性の許す範囲で大きくし、この隙間内に接着硬化後の伸縮が大きな接着剤を充填して接着固定させたものである。これにより、ヨークと永久磁石との嵌合は、周方向突起による小さな隙間で保持され、永久磁石とヨークとの偏心を生じることなく嵌合保持されるとともに、この突起と永久磁石との対向面は、幅が小さいので熱膨張の差による応力の影響が少なく、その他の大部分の嵌合部は、隙間を大きくしてあるので熱応力を接着剤層で吸収させることができ、永久磁石のキレツや割れを防止できると説明している。また、希土類鉄系磁石の熱膨張係数は、−３×１０−６〜３×１０−６ｍｍ／℃であると記載されている。
【０００４】
特許文献２は、円筒状の磁性体よりなるヨーク外周部に、同じく円筒状に永久磁石が接着剤を用いて固着され、永久磁石が径方向厚み方向にＮＳ極を有し、このＮＳ極が周方向に所定間隔で交互に逆極性となるよう並べられた同期電動機用マグネットロータにおいて、ヨークと永久磁石とが、電動機の使用最高温度付近の温度で接着剤を加熱硬化して接合されているものである。これにより、接着剤はロータ使用環境の全域で引張り（伸び）側で使用され、接着剤として引張り弾性係数が３Ｋｇ／ｍｍ２以下で伸び２００％以上のものを使用することで、円筒状の永久磁石にかかる応力は低くなり、割れは発生しないと説明している。また、ネオジ鉄磁石の熱膨張係数は、１．５×１０−６ｍｍ／℃であると記載されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平６−３８４１７号公報（段落番号０００４、０００６、０００７）
【特許文献２】
特開平８−１５４３５１号公報（段落番号０００３、０００８、００１０）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１及び２においては、ヨークと永久磁石の隙間の設定ということが重要である。即ち、特許文献１においては、いかに突起部の幅が小さくても、突起部から永久磁石へ破壊強度以上の圧縮応力が作用すれば、永久磁石は破壊してしまう。そうならないためには、最高使用温度における熱変位を考慮して常温時の隙間を規定しなければならない。これは、特許文献２において、最初に使用最高温度付近の温度におけるヨークと永久磁石の隙間を規定する、ということと技術的には同じである。これら隙間規定に際しては、永久磁石の径方向の熱変位状態が知見されていなければ、適切な値を得ることはできない。筒状体の径方向熱変位量は、径方向と円周方向で熱膨張係数が異なるような場合、円周方向の熱膨張係数を用いて計算しなければならない。
【０００７】
上記文献には熱膨張係数は記載されてはいるが、円周方向の熱膨張係数であるとの記載はなく、また円周方向の熱膨張係数であるとすると、本発明者が得ている知見とは異なっている。即ち、後述するようにＮｄ−Ｆｅ系磁石は配向方向によって熱膨張係数が異なり、配向方向にはプラスの値をとるが、配向方向と垂直方向にはマイナスの値をとる、との知見を得ている。この点で、特許文献１に記載されている熱膨張係数では、プラス・マイナスのどちらでもとれることが示されており、特許文献２においては、対象磁石はラジアル異方性磁石であるが、本発明者の知見では、円周方向の熱膨張係数であればマイナスとなるはずであるがプラスとして記載されている。これより、上記文献に記載されている熱膨張係数は、隙間規定に対してはほとんど意味のない値であり、隙間は経験的に安全サイドになるように大きく設定されていると考えられる。
【０００８】
最近では、自動車用や発電機用などにより高温用モータが使用されるようになってきており、その使用温度範囲は−４０℃〜１８０℃にもなり、従来より約３０〜５０℃も高くなっている。このため、ヨーク外周と永久磁石内周間の隙間はより大きく設定されることになる。しかし隙間がいたずらに大きいと、ヨークと永久磁石が偏芯しないように治具等で固定しなければならず、生産効率上問題であるというだけでなく、伸縮率が大きくて柔らかい接着剤が充填されるので、回転時に磁石に振れが生じるという問題が生じる。
【０００９】
従って本発明は、高温使用の回転機に用いられる回転子において、ヨークと永久磁石の隙間を、不必要に大きくすることなく、リング磁石の厚さ中心の円周方向熱膨張係数を用いて適切に設定した回転子及びリング磁石の円周方向熱膨張係数算出方法を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、長年のＲ−Ｆｅ系の希土類磁石（ＲはＹを含むＮｄ、Ｄｙ、Ｐｒ等の希土類元素の１種または２種以上の）の研究・開発の中で、異方性磁石の熱膨張係数は、磁化容易方向（配向方向）と磁化容易方向に垂直な方向で大きく異なる、という知見を得ている。例えば、配向方向の熱膨張係数α１は５×１０−６／℃で、配向方向と垂直方向の熱膨張係数α２は−１．５×１０−６／℃と数値的にも異なるし、伸縮方向も逆である。従って、ラジアル異方性の場合、配向方向が半径方向に向いていることから、円周方向の熱膨張係数は前記α２（−１．５×１０−６／℃）とすることができる。しかし、極異方性磁石は、配向方向が磁極間を円弧状に結ぶように形成されているので、簡単には求めることはできず、これについて説明された文献も開示されていない。これに対し、等方性の場合、無配向であるので熱膨張係数α３はどの方向に対してもほぼ同じで、例えば０．６７×１０−６／℃である。本発明は、極異方性磁石の円周方向熱膨張係数を求め、これをヨークとの隙間規定のための指標として使用し、熱破壊が発生しにくい回転子を実現するものである。
【００１１】
本発明の回転子は、軟磁性材からなるヨークの外周に、接着剤を介してＮｄ−Ｆｅ系のリング磁石を嵌合固着させた回転子において、前記リング磁石は、極異方性に配向されており、円周方向熱膨張係数がプラスであることを特徴としている。円周方向熱膨張係数がプラスであるとは、温度が上がると伸びることを言う。
また、本発明における円周方向熱膨張係数は、リング磁石の厚さ中心の円周方向において等方性磁石の熱膨張係数より大きいことを特徴としており、円周方向熱膨張係数は、リング磁石の厚さ中心の円周方向において０．９×１０−６／℃以上であることが望ましい。尚、本発明においてリング磁石の厚さとは、リング磁石の内外径差の厚みを指している。
【００１２】
また、本発明のリング磁石の円周方向熱膨張係数算出方法は、リング磁石の円周方向任意部分の円周方向配向比率と半径方向の配向比率と無配向比率とを求め、円周方向比率と配向方向の熱膨張係数α１を乗算したものと、半径方向比率と配向方向に垂直方向の熱膨張係数α２を乗算したものと、無配向比率と無配向の熱膨張係数α３を乗算したものとを加算することにより該部分の円周方向の熱膨張係数を求め、この処理を円周方向全域にわたって行い、その平均値を円周方向熱膨張係数とすることを特徴としている。本発明は極異方性リング磁石に対して適用することができ、高温環境で使用する場合の熱変位量を算出するのに有効である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の実施例を示す回転子の横断面図で、リング磁石１は４極の極異方性Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ磁石で、内周面が鉄系材料からなるヨーク３の外周面に所定の厚さの接着剤２を介して接合されている。接着剤は、２００℃程度の温度でも接着力が維持される例えばエポキシ系、シリコン系の高温接着剤を用いる。極異方性磁石は、図１中のリング磁石１内部に細線で示されるように、磁極と磁極の間を略円弧状に配向方向が形成されるように、成形時に磁場配向される。配向方向は、概念的には磁極部分では半径方向（法線方向）であり、磁極間の中央部では円周方向（接線方向）であり、その間はその円周方向角度に応じて法線方向から接線方向に向けて或いはその逆に所定の角度傾いている。このため、円周方向各部で円周方向熱膨張係数が異なるため、リング磁石としての円周方向熱膨張係数は平均値を用いることにするが、簡単には求められない。
【００１４】
リング磁石の円周方向熱膨張係数の求め方について説明する。
リング磁石１を、円周方向に微小角度毎に区切った微小部分の集合体とみなし、各部の配向状態を求め、配向方向によって決まる熱膨張係数を基に各部の熱膨張係数を求め、これらを平均して円周方向の熱膨張係数とする。磁極及び磁極間各部の配向方向は、磁極数をもとに磁極からの角度に応じて机上で算定、規定することができる。任意部分の円周方向に対する配向方向角度が規定されていれば、円周方向と半径方向への配向比率が分かるので、円周方向比率と配向方向熱膨張係数α１を乗算した値と、半径方向比率と配向方向に垂直方向の熱膨張係数α２を乗算した値とを加算し、該部分の円周方向熱膨張係数として算出する。算出された熱膨張係数を、円周方向全周にわたって積算して平均値処理をし、これをリング磁石の円周方向熱膨張係数とする。
【００１５】
上記は、配向方向を机上でモデル化して行うものであるが、実際の配向状態は磁場配向用のコイル数や配置状態でも変わり、また同じ角度部分でも同一方向に配向されているとは限らず、配向されていない磁粉もある。このため、実際にリング表面を例えば２°毎に、カー効果を利用した配向測定器で測定し、各部の半径方向配向、円周方向配向、無配向など配向方向の比率を求め、各配向方向で決まる前述の熱膨張係数α１、α２、α３を基にして、該角度部分の円周方向の熱膨張係数を算出するとよい。配向測定は磁石表面部に対して行うので、磁石外周部を測定し、外周面における円周方向熱膨張係数を求めてもよいが、外表面部には内部と配向状態が異なる所があるため、リング内部例えばリング磁石の厚さ中心部における配向を測定し、これをもとにして求めることが望ましい。内部の配向データを得るには、外周部を所定量削り取ってから測定すればよい。
【００１６】
図２に、極異方性に配向した厚さ３ｍｍのリング磁石の外周面から１．５ｍｍ削り込んで形成した外表面の配向分布測定結果をもとに、各部の円周方向熱膨張係数αを算出してグラフ化した例を示す。グラフは、一つの磁極を中心にして磁極間の中央部までの範囲について示しており、磁極間位置Ａ及びＢの熱膨張係数αａ及びαｂは約４．９×１０−６／℃であり、磁極位置Ｃの熱膨張係数αｃは約−１×１０−６／℃であることがわかる。各部の熱膨張係数を平均すると０．９２×１０−６／℃となる。表１に、図２における角度データポイント１０を例にして、配向方向比率の測定値と、配向方向分の円周方向熱膨張係数算出値と、それを統合して算出した該ポイントの円周方向熱膨張係数α１０を示す。尚、熱膨張係数α１、α２、α３は前述した［００１０］項の値を用いた。
【００１７】
【表１】
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【００１８】
なお、上記表の算出値は下記計算による。
−０．４２＝０．２８×α２＝０．２８×（−１．５）
１．２０＝０．２４×α１＝０．２４×５
０．３２＝０．４８×α３＝０．４８×０．６７
１．１  ＝（−０．４２）＋１．２＋０．３２
【００１９】
（実施例）
Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系磁石の円周方向熱膨張係数を算出し、その違いと熱破壊の関係について実験した。実験は、常温でのヨークとの隙間が異なるように内径寸法をわずかづつ変えた３サイズ（公称）の磁石を作成し、これらを無配向（等方性）、ラジアル配向、極異方性配向したサンプルを作成し、恒温槽に入れて１８０℃に昇温し、割れや亀裂等の破壊の有無で評価した。表２に算出した熱膨張係数を、図３に破壊したサンプルの、ヨークとの隙間（片側）寸法をプロットした図を示す。この実験は、磁石の熱変位を評価するために、磁石とヨーク間には接着剤は充填していない。極異方性磁石は、配向コイルの配置を変えたもの２種類（極異方性１、２）を作成し、リングの外周とリング中心の２種類の円周方向熱膨張係数を配向測定器で測定して算出した。等方性、ラジアル異方性磁石の熱膨張係数については既知の数値を示している。
【００２０】
【表２】
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【００２１】
図３において、常温でのヨークとの隙間が小さくてもよい、即ちリング磁石としての熱変位が大きいのは、極異方性２、極異方性１、等方性、ラジアル異方性の順であることがわかり、これは表２に示すように算出したリング中心の円周方向熱膨張係数の大きい順であることがわかる。また、高温用回転子に用いるリング磁石は、極異方性を用いる方が、磁気特性が良好である上、ヨークとの隙間が同じであれば熱破壊に対して余裕が多くあり、好ましいことがわかる。
【００２２】
上述したように、リング中心の円周方向熱膨張係数を算出することで、実際のリング磁石の熱変位の大小を判断することができることがわかったが、この算出値を用いて計算した時の熱応力値が、実際の割れ状況と関連するか否かを実験で検証した。
【００２３】
まず、熱変位による熱応力を求める数式について説明する。
一般に、材料の膨張係数をα、室温２０℃での直径をｄとすると、ある温度Ｔ℃での当該材料の直径Ｄは、次式で与えられる。
Ｄ＝ｄ・（１＋α・（Ｔ−２０））
このため、ロータが内側にある磁石回転子の場合、Ｔ℃におけるロータヨーク及び永久磁石の各部分直径は以下の数式で与えられる。
ロータヨークの内径Ｄ１：室温での寸法ｄ１
Ｄ１＝ｄ１・（１＋αｙｏｋｅ・（Ｔ−２０））
ロータヨークの外径Ｄ２：室温での寸法ｄ２
Ｄ２＝ｄ２・（１＋αｙｏｋｅ・（Ｔ−２０））
リング磁石の内径Ｄ３：室温での寸法ｄ３
Ｄ３＝ｄ３・（１＋αｍａｇ・（Ｔ−２０））
リング磁石の外径Ｄ４：室温での寸法ｄ４
Ｄ４＝ｄ４・（１＋αｍａｇ・（Ｔ−２０））
ここで、αｍａｇは永久磁石のリング中心の円周方向熱膨張係数、αｙｏｋｅは、ロータヨークの熱膨張係数である。
よって、温度Ｔ℃における、熱膨張によるリング磁石とヨークとの相互圧力Ｐｍは下記数１で表される。
【００２４】
【数１】
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【００２５】
ここで、γｍａｇは磁石のポアソン比を、γｙｏｋｅはヨークのポアソン比を、Ｅｍａｇは磁石のヤング率を、Ｅｙｏｋｅはヨークのヤング率をそれぞれ表す。
この相互圧力Ｐｍから、磁石内面における円周方向応力σｔは数２で表わすことができる。
【００２６】
【数２】
2004336843.tif 000006
【００２７】
このσｔの値がリング磁石の引っ張り強度以上になった時にリング磁石が破断すると考えられる。
【００２８】
図４は、上記数式において、室温時におけるリング磁石の内径ｄ３＝６０．０ｍｍ、リング磁石の外径ｄ４＝６８．０ｍｍ、ヨーク外径ｄ２＝５９．９３ｍｍとし、片側隙間０．０３５ｍｍで一定とした時、表２に示すリング中心の円周方向熱膨張係数を用いて、温度とリング磁石に生じる応力の関係を求めた計算結果をグラフ化したものである。応力が発生するのは、ヨークが、初期隙間分とリング磁石の熱変位分の合計量だけ熱膨張してリング磁石に接してからであり、さらに熱膨張するとリング磁石は変形しつつ応力が増加し、図中太い横線で示した破壊応力７８．５Ｎ／ｍｍ２を越えると破壊することになる。
【００２９】
実際に、上記寸法の極異方性２と等方性のリング磁石を各５個作成し、恒温槽に入れて１７０℃、１８０℃、１９０℃に加熱して行き、その時の破壊状態を観察した。その結果を表３に示すが、ほぼ図４のグラフに沿った結果であり、前述したようにして算出したリング中心の円周方向熱膨張係数を用いれば、熱破壊しないための合理的な隙間を算出することができる。
【００３０】
【表３】
2004336843.tif 000007
【００３１】
以上、極異方性に配向されたリング磁石の円周方向熱膨張係数の求め方、及びヨークとの間に何も介在物がない場合の隙間の規定方法について説明したが、実際には接着剤が充填され、硬化されるため、硬化後の接着剤の物性を考慮して隙間δｓを設定しなければならない。これには、リング中心の円周方向熱膨張係数を用いて、接着剤がないとした時に、最高使用温度においてヨークとリング磁石が接するような隙間寸法δｅを計算し、これをもとにするとよい。例えば、使用する接着剤の圧縮縦弾性係数などに応じて、接着剤の圧縮により発生する応力を考慮して、その圧縮量分を加算して設定すればよく、一つの基準として、前記算出した隙間寸法δｅだけ隙間が減少した時、接着剤が生じる圧縮応力がリング磁石の破壊応力より小さくなるような寸法を隙間δｓとする。
【００３２】
【発明の効果】
本発明によれば、ヨーク間との隙間を、リング磁石のリング中心の円周方向熱膨張係数を用いた計算値をもとに行うことができるので、サイズが変わったり配向状態が変わっても合理的に設定でき、経験的・試行錯誤的な隙間設定を不用としたので、品質信頼性の高い回転子を効率的に生産することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の回転子を示す横断面図。
【図２】磁極間各部の円周方向熱膨張係数を算出し連ねた図。
【図３】１８０℃で破壊したサンプルのヨーク隙間を示す図。
【図４】熱膨張係数の違いによる、昇温時の熱応力の発生状態を示す図。
【符号の説明】
１：リング磁石
２：接着剤
３：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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