JP2014155415A - 磁石埋込型ロータ及び磁石埋込型ロータの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】界磁用永久磁石の着磁率を向上させることのできる磁石埋込型ロータを提供する。
【解決手段】この磁石埋込型ロータ４は、第１永久磁石４６が埋め込まれた第１環状コア４２と、第１永久磁石４６とは別体の第２永久磁石４７が埋め込まれた第２環状コア４３とを備え、第１環状コア４２の外周に第２環状コア４３が嵌合された構造からなる。そして第１永久磁石４６及び第２永久磁石４７により界磁用永久磁石４１が構成される。
【選択図】図２

Description

本発明は、磁石埋込型ロータ及びその製造方法に関する。

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では、複数の磁石挿入孔が形成された円筒状のロータを用意し、その磁石挿入孔に磁性部材を埋め込んだ後、ロータの外周を覆うように着磁装置を配置する。そして着磁装置によりロータの外周面からその内部に磁束を供給することにより、ロータに埋め込まれた磁性部材を着磁し、界磁用の永久磁石にする。

特開２０１０−１９３５８７号公報

ところで、特許文献１のようにロータの外周面から磁束を供給する場合、ロータに埋め込まれた磁性部材に供給可能な磁束量は、ロータの外周面の表面積、及び着磁装置から供給可能な単位面積当たりの磁束量により決定される。ここで着磁装置から供給可能な単位面積当たりの磁束量には限界があるため、磁性部材の着磁面の面積に対してロータの外周面の面積が小さい場合、磁性部材に十分な磁束を供給することが困難となり、永久磁石の着磁率が低下する。

またロータの外周面から磁束を供給する場合、ロータの径方向内側の部分ほど磁束が供給され難くなる。そのためロータの径方向内側の部分に磁性部材が埋め込まれている場合、磁性部材に十分な磁束を供給することが困難となり、永久磁石の着磁率が低下する。

そして、これらの要因により永久磁石の着磁率が低下した場合、永久磁石から十分な磁束が発生せず、ロータの外周面での磁束密度が低下する。これはモータのステータコイルに鎖交する有効磁束量の減少を招き、モータの出力トルクを低下させる要因となる。

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、界磁用永久磁石の着磁率を向上させることのできる磁石埋込型ロータ、及びその製造方法を提供することにある。

上記課題を解決する磁石埋込型ロータは、第１永久磁石が埋め込まれた第１環状コアと、前記第１永久磁石とは別体の第２永久磁石が埋め込まれ、前記第１環状コアの外周に嵌合される第２環状コアと、を備え、前記第１永久磁石及び前記第２永久磁石により界磁用永久磁石が構成される。

また上記課題を解決する磁石埋込型ロータの製造方法は、第１環状コアに埋め込まれた磁性部材を着磁して第１永久磁石にする工程と、第２環状コアに埋め込まれた磁性部材を着磁して第２永久磁石にする工程と、前記第１永久磁石及び前記第２永久磁石により界磁用永久磁石が構成されるように、着磁工程を経た前記第１環状コアの外周に、着磁工程を経た前記第２環状コアを組み付ける工程と、を備える。

上記構成及び上記製造方法によれば、第１環状コアに埋め込まれた磁性部材を着磁して第１永久磁石にする工程と、第２環状コアに埋め込まれた磁性部材を着磁して第２永久磁石にする工程とを別々に行うことができる。このように各環状コアの着磁工程を別々に行えば、第１環状コア及び第２環状コアのそれぞれの外周面から磁束を供給することができるため、各環状コアに埋め込まれた磁性部材に十分な磁束を供給することができる。特にロータの径方向内側に配置される第１環状コアの磁性部材、すなわち磁束の供給が従来困難であった部位にも十分な磁束を供給できる点でその効果は大きい。そして各環状コアに埋め込まれた磁性部材に十分な磁束を供給することができれば、各環状コアの永久磁石を十分に着磁することができるため、結果的に界磁用永久磁石の着磁率を向上させることができる。

上記磁石埋込型ロータについて、前記第１環状コア及び前記第２環状コアのそれぞれの嵌合面には、各環状コアの周方向に係合する係合構造が形成されることが有効である。
この構成によれば、係合構造によって各環状コアの周方向の位置ずれを防止することができる。すなわち第１永久磁石及び第２永久磁石の周方向の位置ずれを防止することができる。これにより第１永久磁石及び第２永久磁石により構成される界磁用永久磁石の磁力をより的確に保持することができるため、モータの出力トルクを確保することができる。

この磁石埋込型ロータ及びその製造方法によれば、界磁用永久磁石の着磁率を向上させることができる。

磁石埋込型ロータの一実施形態について同ロータを用いたＩＰＭモータの断面構造を示す断面図。 実施形態の磁石埋込型ロータについてその平面構造を示す平面図。 実施形態の磁石埋込型ロータについてその界磁用永久磁石周辺の拡大構造を示す平面図。 実施形態の磁石埋込型ロータの製造方法について第１環状コアの着磁工程を模式的に示す平面図。 実施形態の磁石埋込型ロータの製造方法について第２環状コアの着磁工程を模式的に示す平面図。 実施形態の磁石埋込型ロータの製造方法について第１環状コア及び第２環状コアの組み付け工程を示す斜視図。 磁石埋込型ロータの他の実施形態についてその平面構造を示す平面図。

以下、磁石埋込型ロータの一実施形態について説明する。はじめに、図１を参照して、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。
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円筒状のステータ２、図示しない軸受けを介してハウジング１により回転可能に支持された出力軸３、及び出力軸３の外周に一体的に取り付けられたロータ４を備えている。

ステータ２は、その軸方向に複数枚の電磁鋼板を積層した構造からなる。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。

ロータ４は、円筒状のロータコア４０、及びロータコア４０の内部に埋め込まれた１０個のＵ字状の界磁用永久磁石４１を備えている。
図２に示すように、ロータコア４０は、第１環状コア４２の外周に第２環状コア４３が嵌合された構造からなる。すなわちロータコア４０は、２つの環状コア４２，４３により径方向に分割された構造からなる。なお各環状コア４２，４３は、軸方向に複数枚の電磁鋼板を積層して構成されている。

第１環状コア４２には、その軸方向に貫通する第１磁石挿入孔４４が等角度間隔で１０個形成されている。第１磁石挿入孔４４は、第１環状コア４２の軸方向に直交する断面形状がＵ字状をなしている。これらの第１磁石挿入孔４４には、ボンド磁石からなるＵ字状の第１永久磁石４６がそれぞれ挿入されている。図３に示すように、第１永久磁石４６は、Ｕ字の内側の部分と外側の部分とが異なる磁極となるように着磁されている。図２に示すように、第１環状コア４２には、Ｕ字の内側の部分がＮ極に着磁された第１永久磁石４６と、Ｕ字の内側の部分がＳ極に着磁された第１永久磁石４６とが周方向に交互に配置されている。

第２環状コア４３には、その周方向に対をなし軸方向に貫通する第２磁石挿入孔４５が等角度間隔で１０個形成されている。一対の第２磁石挿入孔４５は、第１磁石挿入孔４４のＵ字両腕部を第１環状コア４２の径方向外側に延長させた位置に配置されており、第２環状コア４３の軸方向に直交する断面形状が直線状をなしている。これら第２磁石挿入孔４５には、ボンド磁石からなる一対の直線状の第２永久磁石４７が挿入されている。図３に示すように、第２永久磁石４７は、一対の永久磁石の対向部分とその反対側の部分とが異なる磁極となるように着磁されている。図２に示すように、第２環状コア４３は、対向部分がＮ極に着磁された一対の第２永久磁石４７と、対向部分がＳ極に着磁された一対の第２永久磁石４７とが周方向に交互に配置されている。

そしてロータコア４０では、第１環状コア４２の第１永久磁石４６及び第２環状コア４３の第２永久磁石４７によりＵ字状の界磁用永久磁石４１が構成される。この界磁用永久磁石４１により、ロータコア４０は、その外周部分に周方向に沿ってＮ極及びＳ極を交互に有する１０極構造を有している。

このように構成されたＩＰＭモータでは、ステータコイル２１に三相の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、界磁用永久磁石４１が形成す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、出力軸３が回転する。

次に、ロータ４の製造方法についてその作用とともに説明する。
ロータ４の製造に際してはまず、電磁鋼板を積層して第１環状コア４２及び第２環状コア４３をそれぞれ成形する。その後、図４に示すように第１環状コア４２の第１磁石挿入孔４４に磁性部材４８を射出成形で埋め込むとともに、図５に示すように第２環状コア４３の第２磁石挿入孔４５に磁性部材４９を射出成形で埋め込む。そして各環状コア４２，４３について着磁工程を別々に行う。

すなわち第１環状コア４２については、図４に示すように、その外周面を囲むように第１着磁装置５を配置する。第１着磁装置５は、第１環状コア４２において磁性部材４８のＵ字両腕部に挟まれた部位の外周面にそれぞれ対向配置される１０個の着磁ヨーク５０と、各着磁ヨーク５０に巻回された着磁コイル５１とから構成される。第１着磁装置５は、図示しない電源から着磁コイル５１に電流が供給されると、図中に破線で示すように第１環状コア４２を介して隣り合う着磁ヨーク５０，５０間を結ぶように磁路を形成する。この磁路により磁性部材４８が着磁され、第１永久磁石４６となる。

また図５に示すように、第２環状コア４３についても、第２着磁装置６を用いて同様の着磁工程を行う。なお第２着磁装置６は、第２環状コア４３において一対の磁性部材４９により挟まれた部位の外周面にそれぞれ対向配置される１０個の着磁ヨーク６０と、各着磁ヨーク６０に巻回された着磁コイル６１とから構成される。第２着磁装置６は、着磁コイル６１への電流供給に基づいて図中に破線で示すように磁路を形成する。これにより第２環状コア４３の磁性部材４９が着磁され、第２永久磁石４７となる。

その後、図６に示すように、第１永久磁石４６及び第２永久磁石４７が全体としてＵ字状をなすように、また第１永久磁石４６及び第２永久磁石４７が形成する磁極が一致するように、第１環状コア４２の外周に第２環状コア４３を圧入等により組み付け、それらを嵌合させる。これによりＵ字状の界磁用永久磁石４１が埋め込まれたロータ４が完成する。

このように第１環状コア４２に埋め込まれた磁性部材４８の着磁工程と、第２環状コア４３に埋め込まれた磁性部材４９の着磁工程とを別々に行えば、第１環状コア４２及び第２環状コア４３のそれぞれの外周面から磁束を供給することができるため、各環状コア４２，４３に埋め込まれた磁性部材４８，４９に十分な磁束を供給することができる。また、このような着磁方法を採用すれば、図４に示すように、ロータ４の径方向内側に配置される第１環状コア４２の磁性部材４８と着磁ヨーク５０との距離が大幅に短くなる。そのため、磁束の供給が従来困難であった径方向内側の磁性部材４８にも十分な磁束を供給することができる。そして各環状コア４２，４３に埋め込まれた磁性部材４８，４９に十分な磁束を供給することができれば、各環状コア４２，４３の永久磁石４６，４７を十分に着磁することができるため、結果的に界磁用永久磁石４１の着磁率を向上させることができる。これによりＩＰＭモータの高出力化や小型化が可能となる。

以上説明したように、本実施形態のロータ４によれば以下の効果が得られる。
（１）ロータ４を、第１永久磁石４６が埋め込まれた第１環状コア４２と、第１永久磁石４６とは別体の第２永久磁石４７が埋め込まれた第２環状コア４３とにより構成した。そして第１環状コア４２の外周に第２環状コア４３を嵌合させ、第１永久磁石４６及び第２永久磁石４７により界磁用永久磁石４１を構成した。これにより界磁用永久磁石４１の着磁率を向上させることができる。

なお、上記実施形態は、これを適宜変更した以下の形態にて実施することもできる。
・第１環状コア４２及び第２環状コア４３のそれぞれの嵌合面には、ロータ４の周方向に係合する係合構造を設けてもよい。例えば図７に示すように、第１環状コア４２において嵌合面となる外周面には、外側に突出する凸部４２ａを形成する。また第２環状コア４３において嵌合面となる内周面には、凸部に係合する凹部４３ａを形成する。このような凸部４２ａ及び凹部４３ａからなる係合構造を設ければ、第１環状コア４２及び第２環状コア４３の周方向の位置ずれを防止することができる。すなわち第１永久磁石４６及び第２永久磁石４７の周方向の位置ずれを防止することができる。これにより第１永久磁石４６及び第２永久磁石４７により構成される界磁用永久磁石４１の磁力をより的確に保持することができるため、モータの出力トルクを確保することができる。

・上記実施形態では、各環状コア４２，４３が電磁鋼板の積層構造からなるものであったが、各環状コア４２，４３が単数の電磁鋼板からなるものであってもよい。また各環状コア４２，４３の材質として、電磁鋼板に代えて、電磁軟鉄を用いてもよい。

・上記実施形態では、第１永久磁石４６及び第２永久磁石４７としてボンド磁石を用いたが、例えば焼結磁石などを用いてもよい。
・上記実施形態では、界磁用永久磁石４１をＵ字状に形成したが、界磁用永久磁石４１の形状はこれに限定されない。例えば界磁用永久磁石４１をＶ字状やコ字状に形成してもよい。また界磁用永久磁石４１の形状に併せて、第１永久磁石４６及び第２永久磁石４７のそれぞれの形状を適宜変更してもよい。

・上記実施形態では、ロータコア４０を２つの環状コア４２，４３により構成したが、ロータコア４０を３つ以上の環状コアにより構成してもよい。すなわちロータコア４０の分割数は適宜変更可能である。

・上記実施形態では、着磁装置５，６が着磁コイル５１，６１により着磁用の磁路を形成するものであったが、これに代えて、着磁装置５，６が例えば永久磁石により着磁用の磁路を形成するものであってもよい。

・上記実施形態では、ロータ４の磁極数が１０極であったが、ロータ４の磁極数には限定はなく、適宜変更してもよい。また、ロータ４の磁極数に併せて第１環状コア４２及び第２環状コア４３のそれぞれの形状を変更したり、第１永久磁石４６及び第２永久磁石４７のそれぞれの数や形状などを変更してもよい。

４…磁石埋込型ロータ、４０…ロータコア、４１…界磁用永久磁石、４２…第１環状コア、４３…第２環状コア、４６…第１永久磁石、４７…第２永久磁石、４８，４９…磁性部材。

Claims (3)

1. 第１永久磁石が埋め込まれた第１環状コアと、
   前記第１永久磁石とは別体の第２永久磁石が埋め込まれ、前記第１環状コアの外周に嵌合される第２環状コアと、を備え、
   前記第１永久磁石及び前記第２永久磁石により界磁用永久磁石が構成されることを特徴とする磁石埋込型ロータ。
2. 請求項１に記載の磁石埋込型ロータにおいて、
   前記第１環状コア及び前記第２環状コアのそれぞれの嵌合面には、各環状コアの周方向に係合する係合構造が形成されることを特徴とする磁石埋込型ロータ。
3. 第１環状コアに埋め込まれた磁性部材を着磁して第１永久磁石にする工程と、
   第２環状コアに埋め込まれた磁性部材を着磁して第２永久磁石にする工程と、
   前記第１永久磁石及び前記第２永久磁石により界磁用永久磁石が構成されるように、着磁工程を経た前記第１環状コアの外周に、着磁工程を経た前記第２環状コアを組み付ける工程と、を備えることを特徴とする磁石埋込型ロータの製造方法。