(57)【要約】【課題】渦電流損の抑制と製造コストの低減の両者を実現することが可能な電動機用回転子を得る。【解決手段】電動機用回転子１０は、大きく分けて回転子軸１１と、この回転子軸１１に一体に固定されて界磁束発生源となる回転子鉄心１２とから構成されている。そして、回転子鉄心１２は、複数の回転子鉄心分割ピース１２ａの組み合わせによって構成されており、回転子軸１１の軸方向に連続して設置されることによって回転子鉄心１２を形成している。回転子鉄心分割ピース１２ａの構造は、磁性鋼板を軸方向に複数積層して形成される積層鉄心１３と、積層鉄心１３と略同一断面形状を有する構造用鋼１４と、積層鉄心１３および構造用鋼１４の周方向に所定の間隔を介して配置されるとともに、軸方向に開口して形成される複数の開口部１５と、複数の開口部１５にそれぞれ嵌挿される磁石１６と、によって形成されている。【選択図】図５Ｂ
2005354806.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転子軸と、
前記回転子軸に一体に固定されて界磁束発生源となる回転子鉄心と、
を含む電動機用回転子であって、
磁性鋼板を軸方向に複数積層して形成される積層鉄心と、
前記積層鉄心と略同一断面形状を有する構造用鋼と、
前記積層鉄心および前記構造用鋼の周方向に所定の間隔を介して配置されるとともに、軸方向に開口して形成される複数の開口部と、
前記複数の開口部にそれぞれ嵌挿される磁石と、
によって形成される回転子鉄心分割ピースを有し、
前記回転子鉄心は、前記回転子鉄心分割ピースが前記回転子軸の軸方向に複数組み合わされることによって構成されていることを特徴とする電動機用回転子。
【請求項２】
請求項１に記載の電動機用回転子において、
前記回転子鉄心分割ピース同士が接触する面では、前記開口部を磁性鋼板が閉鎖し、
前記回転子鉄心の両端を形成する面では、前記開口部を非磁性材料から成るエンドプレートが閉鎖することにより、
前記磁石は、前記回転子軸の軸方向に複数組み合わされる前記回転子鉄心分割ピース間で接触しないように固定嵌挿されていることを特徴とする電動機用回転子。
【請求項３】
周方向に所定の間隔を介して配置されるとともに、軸方向に開口して形成される複数の開口部を有する磁性鋼板を、軸方向に複数積層して積層鉄心を形成するステップと、
前記積層鉄心と略同一断面形状を有する構造用鋼と、前記積層鉄心とを軸方向に組み合わせ、前記複数の開口部それぞれに対して磁石を嵌挿することによって回転子鉄心分割ピースを形成するステップと、
前記回転子鉄心分割ピースを軸方向に複数組み合わせることによって界磁束発生源となる回転子鉄心を形成し、かかる回転子鉄心を回転子軸に対して一体に固定するステップと、
を実行することを特徴とする電動機用回転子の製造方法。
【請求項４】
請求項３に記載の電動機用回転子の製造方法において、
前記回転子鉄心分割ピース同士が接触する面では、磁性鋼板によって前記開口部を閉鎖させ、
前記回転子鉄心の両端を形成する面では、非磁性材料から成るエンドプレートによって前記開口部を閉鎖させることにより、
前記磁石が、前記回転子軸の軸方向に複数組み合わされる前記回転子鉄心分割ピース間で接触しないように固定嵌挿されていることを特徴とする電動機用回転子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電動機用回転子、電動機用回転子の製造方法に係り、特に、高回転化に伴う渦電流損の抑制と製造コストの低減を実現することができる電動機用回転子、電動機用回転子の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
磁石埋め込み型同期モータ（以下、ＩＰモータ）は、磁石によるトルクと、電磁鋼板のリラクタンスによるトルクの両方を利用したモータである。このＩＰモータに用いられるロータおよびステータは、ともに打ち抜いた鋼板を積層することによって形成されるので、製造歩留が約４５％程度と極めて悪いのが現状であった。
【０００３】
【特許文献１】特開平０９−０１９０９０号公報
【特許文献２】特開２００３−１８９５１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
以上のような従来技術に対して、近年、ＩＰモータのステータ側では分割型や螺旋巻きといった歩留向上、低コスト化のための手法が実施されている。しかしながら、ロータ側においては、強度等の問題から、従来通り鋼板を打ち抜いて積層するという歩留の悪い手法を取らざるを得ないのが現状である。
【０００５】
この問題の克服は、現在モータに求められている小型・高回転化の要請とも相まって、重要な課題となっている。すなわち、モータの高回転化を進めると、渦電流損が増加して熱減磁の対策も必要となるからである。
【０００６】
本発明は、以上のような課題の存在に鑑みて成されたものであって、その目的は、高回転化に伴う渦電流損の抑制と製造コストの低減の両者を実現することができる電動機用回転子、電動機用回転子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】
本発明に係る電動機用回転子は、回転子軸と、前記回転子軸に一体に固定されて界磁束発生源となる回転子鉄心と、を含むものであって、磁性鋼板を軸方向に複数積層して形成される積層鉄心と、前記積層鉄心と略同一断面形状を有する構造用鋼と、前記積層鉄心および前記構造用鋼の周方向に所定の間隔を介して配置されるとともに、軸方向に開口して形成される複数の開口部と、前記複数の開口部にそれぞれ嵌挿される磁石と、によって形成される回転子鉄心分割ピースを有し、前記回転子鉄心は、前記回転子鉄心分割ピースが前記回転子軸の軸方向に複数組み合わされることによって構成されていることを特徴とする。
【０００８】
また、本発明に係る電動機用回転子において、前記回転子鉄心分割ピース同士が接触する面では、前記開口部を磁性鋼板が閉鎖し、前記回転子鉄心の両端を形成する面では、前記開口部を非磁性材料から成るエンドプレートが閉鎖することにより、前記磁石は、前記回転子軸の軸方向に複数組み合わされる前記回転子鉄心分割ピース間で接触しないように固定嵌挿されていることが好適である。
【０００９】
本発明に係る電動機用回転子の製造方法は、周方向に所定の間隔を介して配置されるとともに、軸方向に開口して形成される複数の開口部を有する磁性鋼板を、軸方向に複数積層して積層鉄心を形成するステップと、前記積層鉄心と略同一断面形状を有する構造用鋼と、前記積層鉄心とを軸方向に組み合わせ、前記複数の開口部それぞれに対して磁石を嵌挿することによって回転子鉄心分割ピースを形成するステップと、前記回転子鉄心分割ピースを軸方向に複数組み合わせることによって界磁束発生源となる回転子鉄心を形成し、かかる回転子鉄心を回転子軸に対して一体に固定するステップと、を実行することを特徴とする。
【００１０】
また、本発明に係る電動機用回転子の製造方法において、前記回転子鉄心分割ピース同士が接触する面では、磁性鋼板によって前記開口部を閉鎖させ、前記回転子鉄心の両端を形成する面では、非磁性材料から成るエンドプレートによって前記開口部を閉鎖させることにより、前記磁石が、前記回転子軸の軸方向に複数組み合わされる前記回転子鉄心分割ピース間で接触しないように固定嵌挿されていることとすることが好適である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、高回転化に伴う渦電流損の抑制と製造コストの低減の両者を実現することが可能な電動機用回転子、電動機用回転子の製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
発明者は、従来技術が有する課題を解決すべく鋭意努力した結果、ＩＰモータの特性について種々の知見を得た。
【００１３】
［低コスト化のアプローチ］
まず低コスト化を図るため、従来回転子鉄心に用いられていた製造歩留の悪い打ち抜き電磁鋼板の使用量を減らし、構造用鋼を用いることを検討した。
【００１４】
図１は、回転子鉄心の材質を構造用鋼板に変更した場合の鉄損悪化率を示す図である。なお、このときの構造用鋼板には、２．０ｍｍ厚の電磁軟鉄板のみを積層したものを使用している。その結果として、図１からも明らかな通り、構造用鋼板のみを用いた回転子鉄心では、電磁鋼板で製作した場合に比べて鉄損が約３倍となり、モータ効率が大幅に悪化することが確認できた。この結果から、構造用鋼のみで回転子鉄心を形成することは、モータ効率を悪化させるために好ましくないことが確認できた。
【００１５】
以上の知見を得た発明者は、次に電磁鋼板と構造用鋼という２種類の材料を組み合わせた回転子鉄心の実現を試みた。まず、ＩＰモータの回転子に埋め込まれることになる磁石の磁気特性を確認した。図２は、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系磁石と各種構造用鋼の直流磁気特性を示す図である。図２から、回転子の回転時には、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系磁石の残留磁束密度が約１．２Ｔ付近で約０．１Ｔの幅を持って変動していることが明らかとなった。また、このＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系磁石の直流磁気特性については、回転子の回転数が増加しても大きく変化しないということが確認できた。
【００１６】
一方、構造用鋼の直流磁気特性については、磁束密度の立ち上がりが大きい冷延鋼板が最も優れており、以下、純鉄（ＥＬＣＨ２）、電磁鋼板、低炭素鋼、中炭素鋼、ＳＵＳ４０４Ｃの順であることがわかった。つまり、所望のモータ特性およびコストに応じてこれら構造用鋼を選択すればよいことが明らかとなった。
【００１７】
さらに、回転子鉄心を電磁鋼板と構造用鋼の多層構造とした場合における直流磁気特性についても確認した。図３は、回転子鉄心を２層構造にした場合における直流磁気特性の積層比率依存性を表す図である。図３に示す結果から、回転子鉄心に使用する電磁鋼板と構造用鋼の組み合わせおよび積層比率の選択によって、直流磁気特性を制御することが可能となることを確認した。
【００１８】
以上の結果から、発明者は、回転子鉄心に使用する電磁鋼板と構造用鋼の組み合わせおよび積層比率の最適な選択によって鉄損の悪化を最小限に抑制することができ、所望のモータ効率が実現可能であることを確認した。
【００１９】
さらに発明者は、電磁鋼板と構造用鋼の多層構造を採用するにあたっては、積層比率が重要であることを見出した。図４は、積層比率が鉄損に及ぼす影響について示す図であり、２層構造のものと３層構造のものを比較した結果を示す図である。図４からも明らかな通り、２層構造のものと３層構造のもので鉄損に差は見られなかった。したがって、鉄損については積層比率が重要な役割を果たしていることが明らかとなった。つまり、電磁鋼板と構造用鋼の積層比率を変更することによって、鉄損の悪化率を柔軟に制御することが可能であることが確認できた。
【００２０】
図３は、単位重量あたりの鉄損値を示しており、一般的なモータにおいて、固定子と回転子の重量比率は２：１であることから、電磁鋼板のみの鉄損値をｘ、ロータ重量をｙとすると、概算ではあるが、モータ鉄損Ｗは、
（数１）
Ｗ＝２ｙｘ＋ｙｘ＝３ｙｘ  ・・・・・・・・・  (1)
となる。
【００２１】
ここで、本発明に適用すると、例えば電磁鋼板（α）と構造用鋼（β）の積層比率を１：１でロータを製作した場合、電磁鋼板のみで製作した場合の鉄損の１．６倍となるが、モータ鉄損は、
（数２）
Ｗ＝２ｙｘ＋１．６ｙｘ＝３．６ｙｘ  ・・・・・・・・・  (2)
となって（図４参照）、(1)式と(2)式を比較すると、２割の増加にしかすぎないことが分かる。
【００２２】
電気自動車に用いる小型・高回転モータの場合には、体格や運転範囲にもよるが、電磁鋼板（α）と構造用鋼（β）の積層比率を、
（数３）
０≦β／α＜１．５  ・・・・・・・・・  (3)
とするのが望ましい。
【００２３】
なお、従来技術において、回転子鉄心に対して電磁鋼板と構造用鋼の多層構造を採用する技術を開示したものがある（上記特許文献１，２参照）。しかしながら、上記特許文献１，２に示されている従来技術は、単にコスト低減の観点から回転子鉄心の一部に構造用鋼を使用したものであり、モータ効率や積層比率の最適化といった観点を全く無視した技術であることを記しておく。
【００２４】
［渦電流損抑制のアプローチ］
次に、渦電流損の抑制については、熱減磁対策として磁石を分割化することとした。磁石を分割することによって放熱特性が向上し、磁石内の損失が低減できるからである。
【００２５】
［具体的な実施形態］
以上の検討で得た知見に基づいて、発明者は、渦電流損の抑制と製造コストの低減の両者を実現することができる電動機用回転子を創案した。以下、本実施形態に係る電動機用回転子の具体的な構造について、図５Ａおよび図５Ｂを用いて説明する。なお、以下の実施形態は、各請求項に係る発明を限定するものではなく、また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【００２６】
図５Ａは、本実施形態に係る電動機用回転子が用いられる電動機の概略図である。また、図５Ｂは、図５Ａにおける（Ａ−Ａ）断面を示す縦断面図である。
【００２７】
本実施形態に係る電動機用回転子１０は、大きく分けて回転子軸１１と、この回転子軸１１に一体に固定されて界磁束発生源となる回転子鉄心１２とから構成されている。
【００２８】
本実施形態で特徴的なこととして、回転子鉄心１２が、複数の回転子鉄心分割ピース１２ａの組み合わせによって構成されていることが挙げられる。これら複数の回転子鉄心分割ピース１２ａは、回転子軸１１の軸方向に連続して設置されることによって回転子鉄心１２を形成しており、回転子軸１１への固定方法としては、溶接やかしめ加工、圧入等の公知の技術を採用することができる。
【００２９】
回転子鉄心分割ピース１２ａの構造としては、磁性鋼板を軸方向に複数積層して形成される積層鉄心１３と、積層鉄心１３と略同一断面形状を有する構造用鋼１４と、積層鉄心１３および構造用鋼１４の周方向に所定の間隔を介して配置されるとともに、軸方向に開口して形成される複数の開口部１５と、複数の開口部１５にそれぞれ嵌挿される磁石１６と、によって形成されている。
【００３０】
なお、回転子鉄心分割ピース１２ａ同士が接触する面では、開口部１５を磁性鋼板１３ａが閉鎖し、回転子鉄心１２の両端を形成する面では、開口部１５を非磁性材料から成るエンドプレート１７が閉鎖する構造となっている。この様な構造を採用することによって、磁石１６は、回転子軸１１の軸方向に複数組み合わされる回転子鉄心分割ピース１２ａ間で接触しないように固定嵌挿されることになる。つまり、磁石１６の分割によって渦電流損の低減が可能となるとともに、高回転に耐え得る磁石１６の固定が可能となるのである。
【００３１】
また、磁石１６の固定の際には、開口部１５に対して樹脂１８とともに嵌め込むことが好適である。樹脂１８が開口部１５と磁石１６の間の隙間を埋めることによって、確実に磁石１６を固定することができるからである。
【００３２】
ちなみに、本実施形態に係る電動機用回転子１０の製造方法としては、周方向に所定の間隔を介して配置されるとともに、軸方向に開口して形成される複数の開口部１５を有する磁性鋼板を、軸方向に複数積層して積層鉄心１３を形成し、積層鉄心１３と略同一断面形状を有する構造用鋼１４と、積層鉄心１３とを軸方向に組み合わせ、複数の開口部１５それぞれに対して磁石１６を嵌挿することによって回転子鉄心分割ピース１２ａを形成する。磁石１６の固定の際には、開口部１５に対して樹脂１８とともに嵌め込むことが好適である。また、回転子鉄心分割ピース１２ａ同士が接触する面では、開口部１５を磁性鋼板１３ａが閉鎖し、回転子鉄心１２の両端を形成する面では、開口部１５を非磁性材料から成るエンドプレート１７が閉鎖するようにする。
【００３３】
そして、回転子鉄心分割ピース１２ａを軸方向に複数組み合わせることによって界磁束発生源となる回転子鉄心１２を形成し、かかる回転子鉄心１２を回転子軸１１に対して一体に固定する。回転子軸１１への固定方法としては、溶接やかしめ加工、圧入等の公知の技術を採用することができる。このようにして、本実施形態に係る電動機用回転子１０を製造することが可能である。
【００３４】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されない。上記実施形態には、多様な変更又は改良を加えることが可能である。その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】回転子鉄心の材質を構造用鋼板に変更した場合の鉄損悪化率を示す図である。
【図２】Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系磁石と各種構造用鋼の直流磁気特性を示す図である。
【図３】回転子鉄心を２層構造にした場合における直流磁気特性の積層比率依存性を表す図である。
【図４】積層比率が鉄損に及ぼす影響について示す図であり、２層構造のものと３層構造のものを比較した結果を示す図である。
【図５Ａ】本実施形態に係る電動機用回転子が用いられる電動機の概略図である。
【図５Ｂ】図５Ａにおける（Ａ−Ａ）断面を示す縦断面図である。
【符号の説明】
【００３６】
１０  電動機用回転子、１１  回転子軸、１２  回転子鉄心、１２ａ  回転子鉄心分割ピース、１３  積層鉄心、１３ａ  磁性鋼板、１４  構造用鋼、１５  開口部、１６  磁石、１７  エンドプレート、１８  樹脂。
【図１】
2005354806.tif 000003
【図２】
2005354806.tif 000004
【図３】
2005354806.tif 000005
【図４】
2005354806.tif 000006
【図５Ａ】
2005354806.tif 000007
【図５Ｂ】
2005354806.tif 000008