(57)【要約】【課題】飛散防止のためのカバーを組み付けることによるモータのトルクの低下を抑制することができる磁石埋込型ロータを提供する。【解決手段】磁石埋込型ロータ４は、円筒状のロータコア４０と、ロータコア４０に埋め込まれる各永久磁石５０と、ロータコア４０の外周に配置される円筒状のカバー６０とを備える。ロータコア４０は、圧粉が圧縮成形されるなかでカバー６０が一体に固着されている。【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永久磁石と、
前記ロータコアの外周に配置される円筒状のカバーと、を備え、
前記ロータコアは、圧粉が圧縮成形されるなかで前記カバーが一体に固着されてなる圧粉磁心である、磁石埋込型ロータ。
【請求項２】
前記永久磁石は、前記ロータコアの径方向に沿って延びる直線部を備え、
前記カバーは、周方向において前記直線部のロータコア外周側の外側端部に対応する部分に他の部分に比べて透磁率が低い低透磁率部が形成される請求項１に記載の磁石埋込型ロータ。
【請求項３】
前記低透磁率部は、前記カバーの外周面において周方向に延びる複数の溝により形成される請求項２に記載の磁石埋込型ロータ。
【請求項４】
前記永久磁石は、ボンド磁石であり、
前記直線部の外側端部は、前記カバーの内周面に当接し、
前記低透磁率部は、前記ボンド磁石が射出成形により前記ロータコアに埋め込まれる際に、前記カバーの前記永久磁石と当接する部分が塑性変形することにより形成される請求項２に記載の磁石埋込型ロータ。
【請求項５】
成形型内に円筒状のカバーを設置する第１の工程と、
永久磁石が埋め込まれる部分を除いて前記カバー内に圧粉を充填する第２の工程と、
前記カバーの軸方向から前記カバー及び前記圧粉を圧縮することで前記カバーが一体に固着されたロータコアを成形する第３の工程と、を含む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磁石埋込型ロータの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ロータの内部に界磁用の永久磁石を埋め込んだ構造からなるＩＰＭモータ（Interior Permanent Magnet Motor）が知られている。このＩＰＭモータに用いられる磁石埋込型ロータとしては、複数枚の電磁鋼板を重ねたものの他、表面を絶縁被膜で覆った磁性体の粉末を圧縮して固めた圧粉磁心を用いたものがある。ただし、圧粉磁心を用いた磁石埋込型ロータは、電磁鋼板を重ねたものに比べて脆く、高速回転時には遠心力によってロータが飛散してしまう懸念があった。
【０００３】
そのため、圧粉磁心を用いた磁石埋込型ロータにおいて、ロータの外周に補強層を設けることで強度を向上させたものが知られている。この圧粉磁心を用いた磁石埋込型ロータの製造方法としては、例えば特許文献１に記載の方法が知られている。特許文献１には、成形後の圧粉磁心の表面に加熱処理を施すことでロータの外周に補強層を設けることを開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−３１８７６０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、こうした圧粉磁心を用いた磁石埋込型ロータの製造方法としては、特許文献１が開示している方法の他、ロータの外周に圧粉磁心の飛散防止のためのカバーを組み付けることでロータの外周に補強層を設ける方法もある。ただし、ロータへのカバーの組み付けに際しては、ロータとカバーとの間にクリアランスが生じる。また、ロータとステータとの間には、カバーとステータの接触を防止するためにエアギャップを広く設定する必要がある。これらのクリアランスやエアギャップが磁気抵抗となって、モータのトルクの低下が余儀なくされている。
【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、飛散防止のためのカバーを組み付けることによるモータのトルクの低下を抑制することができる磁石埋込型ロータ及び磁石埋込型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】
【０００７】
上記課題を解決するために、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と、ロータコアの外周に配置される円筒状のカバーとを備える。そして、ロータコアは、圧粉が圧縮成形されるなかでカバーが一体に固着されてなる圧粉磁心であることとした。
【０００８】
また、上記磁石埋込型ロータの製造方法について、成形型内に円筒状のカバーを設置する第１の工程と、永久磁石が埋め込まれる部分を除いてカバー内に圧粉を充填する第２の工程と、カバーの軸方向からカバー及び圧粉を圧縮することでカバーが一体に固着されたロータコアを成形する第３の工程と、を含むこととした。
【０００９】
上記構成及び製造方法によれば、圧粉磁心の飛散を防止するためのカバーを配置する場合であっても、ロータコアとカバーとの間にクリアランスを生じさせることなくロータコアにカバーを固着させることができる。したがって、ロータコアとカバーとの間のクリアランスに起因するモータのトルクの低下を抑制することができる。
【００１０】
また、上記磁石埋込型ロータの製造方法によれば、ロータコアの成形時にロータコアにカバーが一体に固着されるので、ロータコアにカバーを組み付ける工程が不要であり、工程を簡素化することができる。
【００１１】
ところで、ロータコアを構成する圧粉磁心の透磁率は空気よりも高いため、永久磁石のＮ極から出た磁束がステータコイルを鎖交することなくＳ極に入る短絡磁路がカバーを含めたロータコアによって形成されることにより漏れ磁束が増加する懸念がある。
【００１２】
これに対し、上記磁石埋込型ロータにおいて、永久磁石は、ロータコアの径方向に沿って延びる直線部を備え、カバーは、周方向において直線部のロータコア外周側の外側端部に対応する部分に他の部分に比べて透磁率が低い低透磁率部が形成されることが有効である。
【００１３】
この構成によれば、ロータコアの短絡磁路が形成される部分に対応する位置に、低透磁率部が配置されるため、短絡磁路による漏れ磁束を減少させることができる。これにより、モータのトルク発生に寄与する磁束の割合を高め効率化を図ることができる。
【００１４】
こうした低透磁率部は、具体的には、カバーの外周面において周方向に延びる複数の溝により形成されることが有効である。
その他、磁石埋込型ロータにおいて、永久磁石は、ボンド磁石であり、その直線部のロータコア外周側の外側端部は、カバーの内周面に当接し、低透磁率部は、ボンド磁石が射出成形によりロータコアに埋め込まれる際に、カバーの永久磁石と当接する部分が塑性変形することにより形成されることが有効である。
【００１５】
この場合には、上記磁石埋込型ロータの製造方法において、低透磁率部を形成する際、ロータコアに対するカバーの位置決めが不要となるため、低透磁率部がカバーの外周面において周方向に延びる複数の溝により形成される場合に比べて第１の工程を簡素化することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、飛散防止のためのカバーを組み付けることによるモータのトルクの低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】磁石埋込型ロータを用いたＩＰＭモータの断面構造を示す断面図。
【図２】カバーを示す斜視図。
【図３】第１実施形態における磁石埋込型ロータの斜視構造を示す斜視図。
【図４】磁石埋込型ロータの製造装置を説明する断面図。
【図５】磁石埋込型ロータの製造方法の第１の工程を説明する断面図。
【図６】磁石埋込型ロータの製造方法の第２の工程を説明する断面図。
【図７】磁石埋込型ロータの製造方法の第３の工程を説明する断面図。
【図８】磁石埋込型ロータの製造方法の取り出しの工程を説明する断面図。
【図９】同じく磁石埋込型ロータの製造方法の取り出しの工程を説明する断面図。
【図１０】第２実施形態における磁石埋込型ロータに磁石が埋め込まれる態様を示す平面図。
【図１１】第２実施形態における磁石埋込型ロータの斜視構造を示す斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
（第１実施形態）
はじめに、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。
【００１９】
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により軸線ｍを中心に回転可能に支持された回転軸としてのモータシャフト３、及びモータシャフト３の外周に一体的に取り付けられステータ２の内側に配置されるロータ４を備えている。
【００２０】
ステータ２は、軸線ｍを中心に円筒状に形成されている。ステータ２は、その軸方向に複数枚の電磁鋼板が積層された構造からなる。ステータ２の内周面には、径方向内側に向かって延びる１２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。
【００２１】
ロータ４は、軸線ｍを中心に円筒状に形成されたロータコア４０、及びロータコア４０の内部に埋め込まれた１０個の永久磁石５０を備えている。
ロータコア４０は、表面を絶縁被膜で覆った磁性体の粉末（圧粉）を圧縮して円筒状に固めた圧粉磁心である。こうした圧粉磁心は、空気よりも高い透磁率を有する。ロータコア４０は、軸線ｍを中心に筒状の筒状部４１を備えている。筒状部４１の中心に形成される軸孔４１ａにはモータシャフト３が挿入される。
【００２２】
筒状部４１には、その軸方向に貫通する１０個の磁石挿入孔４２が周方向に等間隔をあけて形成されている。筒状部４１の軸方向に直交する各磁石挿入孔４２の断面形状は、筒状部４１の外周側に向けて開口するＶ字状をなしている。磁石挿入孔４２は、筒状部４１の径方向に沿って延びる一対の直線部４２ａ，４２ａから構成され、これら直線部４２ａ，４２ａが筒状部４１の内周側において所定角度で交わっている。また本実施形態における直線部４２ａは筒状部４１の外周面には達しておらず、直線部４２ａの筒状部４１外周側の外側端部４２ｂと筒状部４１の外周面との間にはブリッジ部７０が形成されている。これらの磁石挿入孔４２には、同一の断面形状をなす永久磁石５０が挿入されている。各永久磁石５０はボンド磁石からなり、Ｖ字状の内側にＮ極又はＳ極を、Ｖ字状の外側にＳ極又はＮ極を有している。これら永久磁石５０により、ロータ４は、その外周方向において周方向に沿ってＮ極及びＳ極を交互に有する１０極構造をなしている。
【００２３】
図１及び図３に示すように、筒状部４１の外周には、ロータコア４０における筒状部４１の飛散を防止するための磁性体からなる円筒状のカバー６０が固着されている。磁性体は、空気よりも高い透磁率を有する。図２に示すように、カバー６０には、周方向に等間隔をあけて１０個の低透磁率部６１が形成されている。低透磁率部６１は、カバー６０の外周面において周方向に延びる細長い溝６１ａをカバー６０の軸方向全体にわたって複数並べて形成することにより構成される。低透磁率部６１は、溝６１ａが形成された部分が他の部分よりも肉薄に形成されることによって磁性体（カバー６０）よりも透磁率の低い空気層をなしている。そのため、低透磁率部６１は、該低透磁率部６１以外の部分に比べて透磁率が低くなる。
【００２４】
図３に示すように、各低透磁率部６１は、ロータコア４０にカバー６０が固着された状態において、ブリッジ部７０に対応する位置に配される。具体的に、低透磁率部６１は、筒状部４１の周方向に隣接する２つのブリッジ部７０，７０を跨ぐ領域に配置され、Ｖ字状の磁石挿入孔４２の開口部分に対応する領域には配置されない。
【００２５】
このように構成されたＩＰＭモータでは、図１に示したステータコイル２１に交流電流が供給されると、回転磁界が形成される。この回転磁界と、各永久磁石５０により形成される磁界とが作用することによりロータ４にトルクが付与され、ロータ４に固定された回転軸であるモータシャフト３が回転する。
【００２６】
次に、ロータ４の製造方法についてその作用と共に説明する。
図４に示すように、ロータ４を成形するための製造装置８０は、成形型を構成する中型８１、下型８２、及び上型８３を備えている。
【００２７】
中型８１は、ロータ４の外周面を成形する金型であり、円筒状の円筒型部８１ａが形成されている。円筒型部８１ａの軸方向の長さは、ロータ４の軸方向の長さよりも大きく形成されている。円筒型部８１ａの内径は、ロータ４の外径と一致する。中型８１は、製造装置８０の所定位置に固定される。
【００２８】
下型８２は、ロータ４の軸方向の一方の端面を成形する端面型部８２ａと、ロータ４の軸孔４１ａを成形する軸孔ピン８２ｂと、各磁石挿入孔４２を成形する１０個の磁石孔ピン８２ｃとを備える。端面型部８２ａは円柱状であり、その外径は円筒型部８１ａに嵌め合い可能な大きさである。端面型部８２ａの上面の中心には軸孔ピン８２ｂが配置され、軸孔ピン８２ｂの周囲には該軸孔ピン８２ｂを中心として各磁石孔ピン８２ｃが周方向に等間隔をあけて配置されている。軸孔ピン８２ｂ及び各磁石孔ピン８２ｃは、ロータ４の軸方向の長さよりも長く形成されている。下型８２は、中型８１の円筒型部８１ａの下側に配置され、中型８１の円筒型部８１ａに対して軸方向に往復動可能に設置される。
【００２９】
上型８３は、ロータ４の軸方向の他方の端面を成形する端面型部８３ａを備える。端面型部８３ａは円柱状であり、その外径は円筒型部８１ａに嵌め合い可能な大きさである。端面型部８３ａには、下型８２の軸孔ピン８２ｂに対向する位置に、該軸孔ピン８２ｂが嵌め合い可能な軸孔ピン嵌合部８３ｂが形成されている。また、端面型部８３ａには、下型８２の各磁石孔ピン８２ｃに対向する位置に、該各磁石孔ピン８２ｃが嵌め合い可能な磁石孔ピン嵌合部８３ｃが形成されている。上型８３は、中型８１の円筒型部８１ａの上側に配置され、中型８１の円筒型部８１ａに対して軸方向に往復動可能に設置される。上型８３は、下型８２に対して近接することにより、軸孔ピン嵌合部８３ｂ及び磁石孔ピン嵌合部８３ｃに軸孔ピン８２ｂ及び磁石孔ピン８２ｃをそれぞれ嵌合させることができる。また上型８３は、下型８２に対して離間することにより、軸孔ピン嵌合部８３ｂ及び磁石孔ピン嵌合部８３ｃのそれぞれに嵌合された軸孔ピン８２ｂ及び磁石孔ピン８２ｃを、軸孔ピン嵌合部８３ｂ及び磁石孔ピン嵌合部８３ｃから分離させることができる。
【００３０】
図５に示すように、中型８１に対して下型８２が移動して円筒型部８１ａの下端部に配置されることで、該円筒型部８１ａには有底筒状の空間Ｇが形成される。第１の工程では、円筒型部８１ａの内周面に沿ってカバー６０が配置される。この第１の工程では、カバー６０の各低透磁率部６１がブリッジ部７０に対応する位置となるように位置決めされて空間Ｇに設置される。すなわち、カバー６０は、磁石挿入孔４２を構成する直線部４２ａの外側端部４２ｂに対応する各磁石孔ピン８２ｃの対応部位に対向して設置される。
【００３１】
図６に示すように、第１の工程後の第２の工程では、空間Ｇに圧粉９０が充填される。その後、図７に示すように、第３の工程では、上型８３が移動して、円筒型部８１ａに端面型部８３ａが嵌め込まれるとともに、軸孔ピン８２ｂ及び各磁石孔ピン８２ｃが軸孔ピン嵌合部８３ｂ及び各磁石孔ピン嵌合部８３ｃに嵌め込まれる。この第３の工程では、所定の型締め圧力により空間Ｇ内でカバー６０ともども圧粉９０を圧縮することで、カバー６０が隙間なく一体に固着された圧粉磁心のロータコア４０（筒状部４１）が成形される。
【００３２】
図８及び図９に示すように、第３の工程の後には、下型８２から離間する方向に上型８３を移動させて、軸孔ピン嵌合部８３ｂ及び磁石孔ピン嵌合部８３ｃのそれぞれに嵌合された軸孔ピン８２ｂ及び磁石孔ピン８２ｃを、軸孔ピン嵌合部８３ｂ及び磁石孔ピン嵌合部８３ｃから分離させる。その後、中型８１の円筒型部８１ａから下型８２を移動させて、成形の完了したロータコア４０を円筒型部８１ａから取り出す。さらに下型８２に対してロータコア４０を軸方向上側にスライドさせることによりロータコア４０を下型８２から取り外す。このとき、ロータコア４０の軸孔ピン８２ｂ及び磁石孔ピン８２ｃが引き抜かれた位置には、軸孔４１ａ及び磁石挿入孔４２が成形されている。
【００３３】
その後、取り出されたロータコア４０の各磁石挿入孔４２に着磁前の磁石素材を射出成形で埋め込んだ後、配向着磁装置を用いて磁石素材の配向及び着磁を行う。こうした配向及び着磁の工程を経て磁石素材が永久磁石５０となり、ロータ４の製造が完了する。
【００３４】
以上に説明したロータ４及びロータ４の製造方法によれば、以下の（１），（２）に示す作用及び効果を得ることができる。
（１）図５〜図９に示す製造方法によって製造されたロータ４によれば、ロータコア４０に筒状部４１（圧粉磁心）の飛散を防止するためのカバー６０を配置する場合であっても、ロータコア４０とカバー６０との間にクリアランスを生じさせることなくロータコア４０にカバー６０を固着させることができる。したがって、ロータコア４０とカバー６０との間のクリアランスに起因するモータのトルクの低下を抑制することができる。
【００３５】
また上記製造方法によれば、ロータコア４０の成形時にロータコア４０にカバー６０が一体に固着されるので、ロータコア４０にカバー６０を組み付ける工程が不要であり、工程を簡素化することができる。
【００３６】
（２）ところで、ロータコア４０を構成する筒状部４１（圧粉磁心）の透磁率は空気よりも高いため、各永久磁石５０のＮ極から出た磁束がステータコイル２１と鎖交することなくＳ極に入る短絡磁路がカバー６０を含めたブリッジ部７０によって形成されることにより漏れ磁束が増加する懸念がある。
【００３７】
これに対し、本実施形態のロータ４は、ロータコア４０のブリッジ部７０に対応する位置に、カバー６０の低透磁率部６１が配置されるため、短絡磁路による漏れ磁束を減少させることができる。これにより、モータのトルク発生に寄与する磁束の割合を高め効率化を図ることができる。
【００３８】
（第２実施形態）
本実施形態では既に説明した実施形態と同一構成及び同一制御内容などは、同一の符号を付すなどして、その重複する説明を省略する。
【００３９】
図１０及び図１１に示すように、筒状部４１の外周には、円筒状のカバー６２が固着されている。本実施形態では、断面Ｖ字状の各磁石挿入孔４３を構成する直線部４３ａが筒状部４１の外周面に達しているとともに、直線部４３ａの外側端部４３ｂがカバー６２の内周面に当接している。すなわち、カバー６２によって直線部４３ａの外側端部４３ｂが閉じられている。したがって、永久磁石５０が磁石挿入孔４３に挿入される場合、永久磁石５０はカバー６２の内周面において一体に固着されることとなる。
【００４０】
図１１に示すように、カバー６２は、周方向に等間隔をあけて塑性変形部６３を有する。塑性変形部６３は、カバー６２の内周面において永久磁石５０が固着する部分に形成される。具体的に、塑性変形部６３は、製造装置８０から取り出されたロータコア４０の各磁石挿入孔４３に磁石素材を射出成形で埋め込む際に、射出成形による圧力により、カバー６２のうち磁石挿入孔４３を閉じる部分が径方向に膨らむように塑性変形することにより形成される。塑性変形により形成された塑性変形部６３は、ロータコア４０の他の部位に比べて透磁率の低い低透磁率部となる。
【００４１】
こうしたロータ４の製造方法においては、第１の工程において、製造装置８０の空間Ｇにカバー６２を配置する際の周方向の位置決めが不要となるため、第１の実施形態よりも第１の工程を簡素化することができる。
【００４２】
なお、上記各実施形態は、以下の形態にて実施することもできる。
・ロータコア４０に埋め込まれた各永久磁石５０の形状や配置は適宜変更可能である。各永久磁石５０の筒状部４１の軸方向に直交する断面形状は、例えばＵ字状やコ字状であってもよい。
【００４３】
・上記各実施形態では、各永久磁石５０としてボンド磁石を用いたが、例えば焼結磁石や圧縮成形磁石等を用いてもよい。焼結磁石を用いる場合、上記各実施形態の第３の工程の後、各磁石挿入孔４２，４３に挿入された磁石素材としての焼結磁石は、接着剤等の樹脂材料で固定される。
【００４４】
・ロータ４の製造においては、製造装置８０の中で磁石素材の射出成形及び配向着磁を行ってもよい。
・製造装置８０の軸孔ピン８２ｂ、磁石孔ピン８２ｃ、軸孔ピン嵌合部８３ｂ、及び磁石孔ピン嵌合部８３ｃを廃し、第３の工程において、２色成形等によって圧粉９０の圧縮によるロータコア４０の成形とロータコア４０への磁石素材の埋め込みとを同時に行ってもよい。
【００４５】
・ロータ４の軸方向の端部に設けられる端板を、カバー６０，６２と同様に第１の工程において空間Ｇに配置しロータコア４０と一体に成形してもよい。特に、２色成形等によってロータコア４０の成形と磁石素材の埋め込みを同時に行う場合には、ロータ４の軸方向の両側に端板を配置して一体に成形することが可能である。
【００４６】
・低透磁率部６１を筒状部４１の軸方向に傾斜するように形成してスキューとして作用させてもよい。
・上記第１実施形態では、溝６１ａにより低透磁率部６１を形成したが、対応する筒状部４１の軸方向全体にわたって肉薄にする等、他の部分よりも透磁率を低くするものであれば低透磁率部６１の成形方法に限定があるわけではない。
【００４７】
・上記第２実施形態では、各永久磁石５０により分断される、径方向の外側の部位と、径方向の内側の部位とで磁性体の粉末の種類を異ならせてもよい。例えば、径方向の内側の部位には、表面を絶縁被膜で覆った磁性体の粉末を用いる一方、径方向の外側の部位には、表面を絶縁被膜で覆わない磁性体の粉末を用いてもよい。この場合、径方向の外側の部位では、磁性体の粉末に絶縁被膜がない分、径方向の内側の部位に比べて透磁率が高まり高トルク化することができるので、モータの小型化に寄与する。こうした表面を絶縁被膜で覆わない磁性体の粉末に代えては、磁性体の粉末を焼き固めた焼結部材を用いてもよい。
【００４８】
・上記各実施形態では、１０極１２スロットのＩＰＭモータを用いたが、極数及びスロット数はこれに限定されるわけではなく、任意に設定可能である。
・上記各実施形態では、ブリッジ部７０の透磁率をロータコア４０の他の部位に比べて低くする構成を有していなくても、上記（１）の効果を少なくとも奏する。
【００４９】
・カバー６０，６２は、樹脂材料等の絶縁材料としてもよい。
・上記各実施形態は、ＩＰＭロータを用いたモータとして実現したが、ＩＰＭロータを用いた発電機として実現してもよい。
【符号の説明】
【００５０】
３…モータシャフト（回転軸）、４…磁石埋込型ロータ、４０…ロータコア、４１…筒状部、４２，４３…磁石挿入孔、４２ａ，４３ａ…直線部、４２ｂ，４３ｂ…外側端部、５０…永久磁石、６０，６２…カバー、６１…低透磁率部、６１ａ…溝、６３…塑性変形部（低透磁率部）７０…ブリッジ部、８０…製造装置、８１…中型（成形型）、８２…下型（成形型）、８３…上型（成形型）、９０…圧粉。
【図１】
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【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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