(57)【要約】      （修正有）【課題】モータが高速回転となっても，永久磁石に作用する遠心力によって変形が生じないロータの構造を有するモータを提供する。【解決手段】永久磁石２の外周縁とロータ１の外周縁との距離が最短となる領域の強度が作用する遠心力を上回るように，プレス加工による塑性変形や，予め凹凸を付与した材料をロータに用いて，永久磁石の外周縁とロータの外周縁との距離が最短となる領域の板厚を厚くしたり，降伏応力や弾性変形量によってロータに用いる材料を選択する。【選択図】図１
2009050133.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
積層した環状鋼板に永久磁石を埋め込んでなるロータの周囲に，一定長さの空隙を挟んで，コイルを有するステータが設けてあるモータにおいて，前記ロータに埋め込んだ永久磁石の外周縁とロータの外周縁との距離が最短となる領域の断面積が以下の式（１）と式（２）とを満足するように前記領域の前記環状鋼板の板厚を増加させたことを特徴とする永久磁石埋め込み型モータのロータ。
ｋF＜（Yp／√３）×ｔ×L        （１）
G＞ｌｐ        （２）
ここで，ｋは遠心力が集中的に作用した際の係数，Fはロータ回転時に永久磁石に作用する最大遠心力，Ypはロータに用いる材料の降伏応力，ｔは永久磁石の外周縁とロータの外周縁との距離が最短となる領域の環状鋼板の合計板厚，Lは永久磁石の外周縁とロータの外周縁との最短距離，Gはロータとステータとの空隙量，ｌｐはロータに用いる材料の弾性変形量である。
【請求項２】
ロータに埋め込んだ永久磁石の外周縁とロータの外周縁との距離が最短となる領域の環状鋼板の板厚を増加させるように，環状鋼板外周の端部を加圧して塑性変形させたことを特徴とする請求項１に記載の永久磁石埋め込み型モータのロータ。
【請求項３】
ロータに埋め込んだ永久磁石の外周縁とロータの外周縁との距離が最短となる領域の環状鋼板の板厚が厚くなるように，予め凹凸を付与した材料をロータに用いることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石埋め込み型モータのロータ。
【請求項４】
ロータに用いる材料として，請求項１に記載の式（１）を満足する降伏応力（Yp）と式（２）を満足する弾性変形能力を有するとともに，磁界の強さが４０００Ａ／ｍのとき磁束密度が１．２Ｔ以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の永久磁石埋め込み型モータのロータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、永久磁石を埋め込んだモータに用いられる永久磁石を埋め込むロータの構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
永久磁石を埋め込んだモータは，従来より電気自動車やハイブリッド自動車，燃料電池自動車などの駆動用モータとして用いられている。
このような永久磁石埋め込み型モータの中には，永久磁石をロータに内臓したタイプで，ＩＰＭモータと称するものがある．図１には，従来からあるＩＰＭモータのロータの平面状態の一例を示す。図１に示したロータ１は８極のタイプであり，永久磁石２の一極に対して磁石挿入口３が一個設けられている。
【０００３】
近年のハイブリッド自動車用の駆動用モータは、その自動車の走行性能や搭載スペース自由度の拡大、低燃費化を図るために、高出力と小型化を狙うために高速回転化への検討が進められている。しかし、モータの最高速回転数は、ロータに使用される材料の強度と、図１に示した永久磁石２とロータ１の外周縁との領域であるブリッジ部４の断面積が影響してくる。つまり、モータが回転した場合は、ロータ１の外周に設置されているステータ５に取り付けられたコイル６に通電されてロータ１が回転するわけであるが、その回転によって永久磁石２に遠心力Fが作用し、ブリッジ部４にもステータ５側へ変形させるように遠心力Fが作用する。ブリッジ部４の変形が大きくなり、ロータ１とステータ５の間の空隙７以上まで変形すると、ロータ１とステータ５が接触してモータとして機能を果たさなくなり、その変形に及ぼす遠心力Fはモータ回転数が高くなるほど大きくなってしまう。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記で示した課題に対して特許文献１では，永久磁石とそれを挿入するロータの磁石挿入口との隙間に樹脂を充填し，永久磁石が遠心力で移動した場合にその樹脂でもって移動を抑え，その効果によりロータの変形を抑制するという技術が提案されている。しかし，樹脂を充填する領域は非常に僅かであるため，永久磁石の移動を抑えるのには限界があり，モータが高速回転した場合にはロータの変形を抑制できない可能性が出てくる。
【０００５】
また，特許文献２では，永久磁石を挿入するロータの開口部の周囲のみを熱処理などで硬化し，それによってロータの変形を抑制する技術が提案されている。しかし，ロータは薄板の鋼板を何層も重ねており，１枚の鋼板は非常に薄いために部分的な熱処理によって変形する場合があり，その変形を矯正する工程が必要となってくる。そのため，工程費用が追加されてモータのコストが上昇してしまう。
【０００６】
さらに，特許文献３には，作用する遠心力と逆方向の力が作用するようにロータにリベットを挿入し，これを利用してロータの材料である鋼板を固定するとともに，リベット挿入の効果によりロータの変形を抑制する技術が紹介されている。しかし，この技術も，リベット挿入の穴を設ける工程費用とリベットの費用がかさむこととなり，結果的にモータのコストアップにつながっている。
【特許文献１】特開２００６−１０９６８３号公報
【特許文献２】特開２００５−０３９９６３号公報
【特許文献３】特許第３６３５９１２号公報
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記特許文献１〜３で技術では，いずれも遠心力が永久磁石に作用した場合のロータの変形は抑制されるものの，モータのコストアップや品質上の問題が発生する虞がある。そこで，本発明は，このような従来技術の問題点を鑑みて検討したものであり，その内容は，以下の通りである。
【０００８】
本発明の永久磁石埋め込み型モータのロータは，積層した環状鋼板に永久磁石を埋め込んでなるロータの周囲に，一定長さの空隙を挟んで，コイルを有するステータが設けてあるモータにおいて，前記ロータに埋め込んだ永久磁石の外周縁とロータの外周縁との距離が最短となる領域の断面積が以下の式（１）と式（２）とを満足するように前記領域の前記環状鋼板の板厚を増加させたことを特徴としている。
ｋF＜（Yp／√３）×ｔ×L        （１）
G＞ｌｐ              （２）
ここで，ｋは遠心力が集中的に作用した際の係数，Fはロータ回転時に永久磁石に作用する最大遠心力，Ypはロータに用いる材料の降伏応力，ｔは永久磁石の外周縁とロータの外周縁との距離が最短となる領域の環状鋼板の合計板厚，Lは永久磁石の外周縁とロータの外周縁との最短距離，Gはロータとステータとの空隙量，ｌｐはロータに用いる材料の弾性変形量である。
【０００９】
また，ロータに埋め込んだ永久磁石の外周縁とロータの外周縁との距離が最短となる領域の環状鋼板の板厚を増加させる方法としては，環状鋼板外周の端部をプレス加工などによって加圧して塑性変形させることや，その領域の板厚が厚くなるように予め凹凸を付与した材料をロータに用いることが好ましい。
【００１０】
さらに，ロータに用いる材料としては，前記の式（１）を満足する降伏応力（Yp）と式（２）を満足する弾性変形能力を有するとともに，磁界の強さが４０００Ａ／ｍのとき磁束密度が１．２Ｔ以上であることが好ましい。 
【発明の効果】
【００１１】
本発明の永久磁石埋め込み型モータのロータにおいては，ロータの回転で永久磁石に作用する遠心力で最も変形しやすい永久磁石の外周縁とロータの外周縁との距離が最短となる領域がある規定値以上の断面積を持つことで変形を抑制している。また，ロータに用いる材料に関しても，規定値以上の降伏応力，磁束密度を有する材料を選択することによって，変形を抑制する効果が出てくる。このため，ロータが高速回転になったとしても，周囲に設置したステータとロータが接触せずに安定して回転することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明者等は，上記の課題を解決する手段を見出すために，ロータの回転時に作用する永久磁石の遠心力と，その遠心力で永久磁石が移動した場合でのロータの変形状態について詳細に検討した。永久磁石に作用する遠心力Fは，モータの回転，すなわちロータの回転によって発生し，その大きさは図２に示すように永久磁石２からロータ１の中心までの距離ｒと，永久磁石２の質量ｍおよび回転数ｎによって以下の式（３）で表すことができる。
F=ｍ×ｒ×（２π×ｎ／６０）２        （３）
この遠心力Fによって，永久磁石２には，ロータ１の径方向へ移動するような力が作用し，この力によってロータ１自体に径方向へ変形する挙動が現れてくる。ロータ１の変形は，ロータ１の周囲に設置されたステータ５との空隙７の距離未満であれば，ロータ１とステータ５が接触しないでモータの回転を持続させることができる。しかし，接触するまでにロータ１が変形した場合は，モータの機能を有しないことになる。
【００１３】
また，ロータ１の変形が空隙７未満であっても，塑性変形にまで達した場合は，モータの回転が停止した場合にロータ１の磁石挿入口３と永久磁石２との隙間が大きくなりすぎ，永久磁石２が脱落する虞がある。つまり，ロータ１の変形は，空隙７の距離未満で，なおかつ，弾性変形内であることが必要である。
【００１４】
さらに，ロータ１の変形は，最も弱いところ，つまりは同じ材料とした場合には，最も断面積が小さい領域で発生しやすい。この領域は，ブリッジ部４においてロータ１の外周縁部と永久磁石２の外周縁部との距離が最短となる領域となる。ロータ１の変形を前記で示した必要条件である空隙７の距離未満で，なおかつ，弾性変形内に抑えるためには，そのブリッジ部４の特性が遠心力Fを受けても弾性変形内に納まり，その変形が空隙７の距離より小さくなるような強度を有することが必要である。つまり，ブリッジ部４の強度は，前記の式（１）と式（２）を満足させる値をとることが必要である。
【００１５】
式（１）を満足できるブリッジ部４とするには，ロータ１に用いる材料の降伏応力を高めるか，ブリッジ部４の断面積を大きくしなければならない。式（１）を満足するのであればどちらでも良いが，断面積を大きくするには，図２に示したようにブリッジ部の長さLを大きくするか，ブリッジ部４の板厚ｔを厚くすれば良い。このブリッジ部４の板厚ｔを厚くする方法としては，回転加工やプレス加工によってロータ１に用いる鋼板を１枚ごとに外周端部を加圧して塑性変形させても良いし，素材自体をブリッジ部４の板厚ｔが厚くなるように部分的に板厚を変動させたものをロータ１の材料として用いても良い。
【００１６】
ロータ１に用いる鋼板を１枚ごとにブリッジ部４が厚くなるようにした場合，その鋼板を重ね合せるとブリッジ部４以外の箇所に隙間が生じて空気を巻き込んで騒音が大きくなる可能性もあるが，その場合はその箇所に絶縁性の樹脂を充填することにより騒音を防止することができる。
【００１７】
また，素材自体をブリッジ部４の板厚ｔが厚くなるようにするには，どのような方法でも良いが，例えば図３に示すように圧延工程においてロール８にロータ１の寸法を考慮して突起９をある一定間隔で設け，そのロール８を使用して凹み１０を有する素材１１を製作すれば良い。下ロール８’は，突起９を付けても良いし，フラットでも良く，所定の形状によって選択することが可能である．さらに，この素材１１を用いた場合もブリッジ部以外は，鋼板を重ね合せた場合に隙間が発生して騒音が大きくなる場合があるが，その場合はその隙間に絶縁性の樹脂を充填するか，図４に示すようにロータの中心，つまり素材１０の幅方向中心領域の板厚が減少しないようにロール８の突起９に凹部１２を設けても良い。
このように，強度として必要な部分を厚肉化することによって，必要強度の確保と必要以上にモータ質量を上げずに軽量化を図ることが可能となる。
【００１８】
永久磁石２の遠心力Fによってブリッジ部４は，せん断的な変形となり，その部分に集中的に遠心力Fが作用してくる。つまり，ブリッジ部４にはせん断応力が作用することになり，せん断降伏応力が遠心力Fより小さい場合にブリッジ部４が塑性変形することとなる。また，永久磁石２は矩形状のものが多く，その場合には角部に遠心力Fが集中して作用し，他の部分よりも作用する遠心力Fが大きくなる。応力集中の係数であるｋは，永久磁石２の角部の形状によって変化するが，予めFEM解析などによって角部以外の部分と比べてどの程度の応力上昇でブリッジ部４に作用するかを推測して求めることができる。
【００１９】
特に最近は，高出力化，小型化を図ることからモータのリアクタンストルクを増大させるために，図５に示すように永久磁石２をV字型に設置する場合がある。この場合は，ブリッジ部４の長さLが非常に短くなる。
【００２０】
このような場合の遠心力Fの作用状況をFEM解析により予測した。その結果，図５に示したブリッジ部４に応力集中しており，V字の付け根部１３と比較すると約2倍高くなる傾向であった。ロータ１において，永久磁石２付近の断面積が最も小さいのはブリッジ部４であることから，このような永久磁石２の配置の場合も，ブリッジ部４が前記の式（１）と式（２）を満足するようにブリッジ部４の板厚ｔを調整すれば良いのである。
【００２１】
また，式（２）を満足するには，ロータ１に用いる材料の弾性変形量が空隙７より小さいものを選べば良いことになる。
【００２２】
ブリッジ部４の強度が式（１）を満足するようにするためには，上記で記載したようなブリッジ部４の板厚を増加させる方法以外に，ロータ１に使用する材料の降伏応力に着目して，材料を選択する方法もある。この場合も，式（２）を満足する弾性変形量の材料とする必要がある。式（１）を満足するように材料の選択は，ブリッジ部４の断面積が比較的小さい場合は降伏応力が高いものとなる。言い換えれば，降伏応力の高い材料により，ブリッジ部４の距離Lや板厚ｔをより小さくすることができ，ロータ１の質量を小さくすることができる。つまりは，モータの軽量化を図ることができる。
【００２３】
また，ロータ１の材料の因子，つまり，降伏応力や弾性変形量，板厚を把握しておけば，ブリッジ部の距離Lによりモータの最大回転数を予測することができ，距離Lによってモータの最大回転数を調整することができる。ただし，その材料の磁気特性を考慮すると，磁界の強さが４０００Ａ／ｍのとき磁束密度が１．２Ｔ以上であることが好ましい。
【実施例１】
【００２４】
ロータの材料として，板厚が０．３ｍｍ，降伏応力が４００N／mm2，弾性歪みが１％の鋼板を用いた。ロータの直径は１００ｍｍとし，V字型に永久磁石の磁石挿入口を４５°の間隔で設けた。永久磁石は，密度が7.8g/cm3で，長さが１８ｍｍ，幅が５ｍｍである。ブリッジ部の永久磁石の外周縁とロータの外周縁とが最短となる距離Ｌは０．５ｍｍとして，ブリッジ部の板厚を種々変更した。変更方法は，ロータに用いる鋼板の外周端部を回転加工で加圧して塑性変形させる手法を用いた。また，ロータの回転数も変更してブリッジ部の変形状態を調査した。ロータにするために前記の鋼板を１００枚重ね合せ，重ね合せた各々の鋼板間は，ブリッジ部以外の箇所に隙間ができたため，その隙間には絶縁性の樹脂を充填した。変形状態を評価する方法としては，回転停止後も塑性変形していないことと，ロータとステータとの空隙（１．０ｍｍ）以上の変形による両者の接触有無の確認とした。遠心力の応力集中の係数ｋとしては，事前のFEM解析により，ブリッジ部ではV字の付け根部と比較すると2倍高くなったため係数ｋを２とした。
結果を表１に示す。ロータの回転数を上げることによって，遠心力が高まり，ブリッジ部の変形も大きくなる傾向となった。しかし，ブリッジ部の断面積を大きくするか，ロータの材料の降伏応力を上げることによって，ブリッジ部の強度が遠心力より高い場合には，ロータとステータが接触することなく安定した回転を得ることができた。また，ブリッジ部の長さを０．５ｍｍとしたことから，材料の弾性変形量は０．００５ｍｍであるため，ブリッジ部の強度が遠心力より僅かに大きい場合であってもロータとステータが接触することはなかった。
【００２５】
【表１】
2009050133.tif 000003
【実施例２】
【００２６】
ロータの材料として，板厚が０．３ｍｍで降伏応力が４００，８４０，１１００，１９００N／mm2で，何れの弾性歪みも１％のものを用いた。ロータのブリッジ部の距離を０．３ｍｍ，板厚を０．３ｍｍと一定とするとともに，その他の条件は実施例１と同じとし，ロータの材料が変った場合にロータが塑性変形しない限界の回転数を調査した。遠心力の応力集中の係数ｋとしては，事前のFEM解析により，ブリッジ部ではV字の付け根部と比較すると2倍高くなったため係数ｋを２とした。
結果を図６に示す。ロータの材料の降伏応力を上げることにより，限界回転数も上昇する傾向となった。この結果により，材料の降伏応力のみを変えた場合の使用可能な回転数の把握ができるとともに，ロータの薄肉化が図れるためにモータの軽量化が可能であることが分かった。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】８極の永久磁石を埋め込んだロータとステータの構造を示す平面図
【図２】永久磁石付近の遠心力の作用状況を示す図
【図３】圧延でロータの素材に凹凸を付与する方法の一例
【図４】圧延でロータの素材に凹凸を付与する方法の他の例
【図５】永久磁石をV字型に埋め込んだ場合の永久磁石付近の平面図
【図６】ロータの材料の降伏応力を変えた場合の限界回転数を比較した図
【符号の説明】
【００２８】
１・・・ロータ，２・・・永久磁石，３・・・磁石挿入口，４・・・ブリッジ部，
５・・・ステータ，６・・・コイル，７・・・空隙，８，８’・・・ロール，
９・・・突起，１０・・・凹み，１１・・・加工した素材，１２・・・凹部，
１３・・・V字の付け根部
【図１】
2009050133.tif 000004
【図２】
2009050133.tif 000005
【図３】
2009050133.tif 000006
【図４】
2009050133.tif 000007
【図５】
2009050133.tif 000008
【図６】
2009050133.tif 000009