JP5761068B2 - Ｉｐｍモータ用ロータの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、磁石埋め込み型のIPMモータ用ロータの製造方法に関するものである。

ブラシレスDCモータをはじめとする各種モータの中で、ロータコア内部に複数の永久磁石が埋め込まれてなる永久磁石埋込型のロータを具備するモータ（以下、IPMモータという）はよく知られるところである。例えば、ハイブリット車両の駆動用モータには、上記するIPMモータが使用されている。

ところで、ステータティースには巻線が集中巻き若しくは分布巻きされることによってコイルが形成されており、コイルに電流を通電することによって磁束を生じさせ、永久磁石による磁束との間でマグネットトルクとリラクタンストルクを発生させている。この分布巻きコイルの場合には、集中巻きコイルの場合に比して一極当たりのティース数も多くなり、したがって、ロータ回転時にティース側からロータの永久磁石に入ってくる磁束（または磁束の変化）は相対的に連続性がある。そのため、ロータ回転時の磁束密度の変化は相対的に少ない。それに対し、集中巻きコイルの場合には、磁束密度の変化が相対的に大きくなることから永久磁石に生じた渦電流が損失となってモータの駆動効率を低下させる。さらには、渦電流の発生によって永久磁石は発熱し、不可逆な熱減磁が招来されることで永久磁石自体の磁気特性が低下することとなる。

近時のハイブリッド自動車や電気自動車で使用される駆動用モータに関して言えば、モータの出力性能アップが追求されている中でたとえばその回転数や極数の増加が図られており、この回転数の増加等によって磁石に作用する磁界の単位時間当たりの変動回数が大きくなり、その結果として上記渦電流が発生し易くなっている。そして、この渦電流に起因する損失によってモータの駆動効率が低下するとともに渦電流に起因する発熱によって磁石の熱減磁が齎され、これらのことによってモータ性能が低下し、モータの耐久性の低下に繋がるといった課題が生じている。

上記する渦電流の発生とこれに起因する熱減磁の招来を防止するために、IPMモータにおいては、該永久磁石を複数の分割磁石から形成しておき、この分割磁石を束ねてロータスロットに挿入設置する方策が講じられている。

ここで、図８，９を参照して従来のロータコアに開設された磁石用スロット内への分割磁石の固定方法の一例を概説する。

図８は、IPMモータ用ロータを構成するロータコアＲＣの平面図である。このロータコアＲＣは、たとえば電磁鋼板が所望高さまで積層して構成されており、その中央には回転シャフト軸用スロットＳＳＬがロータ軸方向に開設されており、その端部近傍には、平面視略Ｖの字状に開設された２つの磁石用スロットＳＬが１組となり、これが周方向に複数組（磁極に相当する基数）設けられている。

図９ａは、磁石用スロットＳＬを拡大した平面図であるが、図示する磁石用スロットＳＬは、中央に長辺と短辺からなる平面形状が矩形の領域ＳＬ１と、その２つの短辺からそれぞれ外側に凸の凸形領域ＳＬ２，ＳＬ３からなる平面形状を有している。

凸形領域ＳＬ２，ＳＬ３の形状は、この磁石用スロットＳＬ内に永久磁石が固定された際に、永久磁石の端部から生じ得る漏れ磁束を可及的に低減できるような形状とされている。このように、凸形領域ＳＬ２，ＳＬ３は永久磁石からの漏れ磁束を抑制することの他にも、磁石用スロットＳＬ内に永久磁石が挿入された後に磁石固定用のモールド樹脂材を磁石用スロットＳＬ内に注入する際の注入箇所にもなっている。すなわち、図９ｂで示すように、磁石用スロットＳＬの矩形状の領域ＳＬ１内に２つの分割磁石Ｍ，Ｍが挿入された後、凸形領域ＳＬ２，ＳＬ３のそれぞれを注入起点としてモールド樹脂材Ｒを注入し、注入されたモールド樹脂材Ｒは、凸形領域ＳＬ２，ＳＬ３から矩形状の領域ＳＬ１内へ流れ込むため（Ｙ方向）、２つの分割磁石Ｍ，Ｍが密着された状態でスロット内固定される場合がある。

しかしながら、図９ｂで示すような態様で分割磁石Ｍ，Ｍが磁石用スロットＳＬ内で固定されるため、本来的には１つの永久磁石を渦電流損失低減を図るために２つの分割磁石Ｍ，Ｍに分けたにも関わらず、分割磁石Ｍ，Ｍが密着することで双方が導通状態となり、結果として渦電流損失の増加に繋がってしまう。

さらに、密着した分割磁石Ｍ，Ｍは磁石用スロットＳＬを構成する矩形状の領域ＳＬ１の中で、２つの長辺のいずれか一方とも密着しており、分割磁石Ｍ，ＭとロータコアＲＣの間も導通状態となるため、さらに渦電流損失が増加することになる。

ここで、特許文献１には、平面形状が矩形の磁石用スロット内に２つの分割磁石を挿入するに当たり、双方の間に発泡樹脂シートを介在させておき、磁石用スロット内でシートを熱膨張させることで分割磁石を磁石用スロット内に固定する技術が開示されている。

この方法によれば、分割磁石を磁石用スロット内に強固に固定でき、もって振動によって分割磁石ががたついて割れや欠けが生じるのを抑制できるとしている。しかしながら、磁石用スロット内でシートを加熱する際に分割磁石も熱せられることからその磁気特性に影響を及ぼしかねず、したがって好ましい方法とは言い難い。加えて、発泡樹脂シートを使用することから従来のモールド樹脂を注入するのに比べて製造コストが嵩み、さらには、発泡樹脂シートを介層させる工程と、これを熱処理する工程を要することから製造工数も増加し、製造効率を著しく低下させかねない。

特開２０１０−１４１９８９号公報

本発明は、上記する問題に鑑みてなされたものであり、磁石用スロット内にモールド樹脂材を注入して分割磁石を固定する従来の方法に改良を加え、製造効率を低下させることなく、また製造コストを増加させることなく、少なくとも分割磁石同士が密着することに起因する渦電流損失の発生を解消することのできるIPMモータ用ロータの製造方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成すべく、本発明によるIPMモータ用ロータの製造方法は、ロータ軸に沿う方向に設けられた磁石用スロット内に該ロータ軸方向の長さを有する２つの平面形状が矩形の分割磁石が埋設されたIPMモータ用ロータの製造方法であって、前記磁石用スロットの平面形状は、長辺と短辺を有する矩形と、２つの短辺からそれぞれ外側に凸の凸形とが組み合わされた形状を呈しており、磁石用スロットの長辺の長さをt1とし、２つの分割磁石のうち、前記長辺に対応する分割磁石の長辺の長さをt2とした際に、t1＞2t2の関係を有し、かつ、２つの分割磁石は磁石用スロットの中でも平面形状が矩形の領域内で移動自在である、磁石用スロットが開設されたロータコアと分割磁石を用意する第１のステップ、磁石用スロット内に２つの分割磁石を双方の間に隙間が設けられた姿勢で配し、該隙間に分割磁石固定用のモールド樹脂材を注入して、少なくとも分割磁石同士が接触しない姿勢で磁石用スロット内に２つの分割磁石をモールド樹脂にて固定する第２のステップからなるものである。

本発明のIPMモータ用ロータの製造方法は、従来の磁石用スロットと同様に漏れ磁束抑制用の２つの凸形の領域と、それらの間にあって２つの分割磁石が挿入される平面形状が矩形の領域と、から構成される磁石用スロットに対し、２つの分割磁石を双方の間に隙間が設けられた姿勢で磁石用スロットの矩形の領域に挿入し、あるいは、２つの分割磁石を磁石用スロット内に挿入した後に双方の間に隙間を形成し、次いでこの隙間に分割磁石固定用のモールド樹脂材を注入するものである。隙間に注入されたモールド樹脂材は、まず隙間を満たすことによって双方の分割磁石をそれぞれ矩形の領域の対向する短辺に押し付け、さらに注入されるモールド樹脂材は矩形の領域の他の箇所を満たし、さらに２つの凸形の領域も満たすように流れる。このことによって、少なくとも分割磁石同士は接触することなく磁石用スロット内に固定されることができ、分割磁石同士が密着して導通状態の場合に生じ得る渦電流損失の増加を効果的に抑止することができる。

また、上記するように、２つの分割磁石間に隙間を設けることが必須の構成であることから、磁石用スロットを構成する平面形状が矩形の領域における長辺の長さをt1とし、２つの分割磁石のうち、この長辺に対応する分割磁石の長辺の長さをt2とした際に、t1＞2t2の関係を有するように双方の長辺の長さが設定される。

ここで、磁石用スロットを構成する平面形状が矩形の領域内に配される分割磁石の平面形状は、矩形（長方形）と正方形のいずれであってもよいが、隙間に注入されたモールド樹脂材が該隙間から磁石用スロットの他の領域に流れることを可能とするために、分割磁石のうち、磁石用スロットの矩形の領域の短辺に対応する辺の長さは該矩形の領域の短辺の長さよりも短くなるように設定される。

また、適用される分割磁石は、希土類磁石やフェライト磁石、アルニコ磁石等を包含するものであり、希土類磁石としては、ネオジムに鉄とボロンを加えた３成分系のネオジム磁石、サマリウムとコバルトとの２成分系の合金からなるサマリウムコバルト磁石などを挙げることができる。

また、ロータを構成するロータコアは、電磁鋼板を積層してなる鋼板積層体のほか、鉄、鉄−シリコン系合金などの軟磁性金属粉末や軟磁性金属酸化物粉末がシリコーン樹脂等の樹脂バインダーで被覆された磁性粉末などからなる圧粉成形体であってもよい。

上記する本発明のIPMモータ用ロータの製造方法によれば、特許文献１で開示される方法のように２つの分割磁石間に他部材を介在させることはなく、従来一般のモールド樹脂材を注入する方法を用いるものの、その注入場所を変更するという極めて簡易な製法改良によって分割磁石を固定するものであることから、製造コストを何等増加させるものではない。

なお、本発明では、磁石用スロット内に２つの分割磁石を挿入して固定することをその構成要件としているが、本発明は、３つ以上の分割磁石を磁石用スロット内に挿入して固定することを何等排除するものではない。たとえば３つの分割磁石を使用する場合には、磁石用スロットの長辺の長さをt1とし、３つの分割磁石のうち、長辺に対応する分割磁石の長辺の長さをt2とした際に、t1＞3t2の関係を有するといった構成の変更、３つの分割磁石それぞれの間に隙間を形成し（この場合は２つの隙間が形成される）、これら２つの隙間にモールド樹脂材を注入するといった構成の変更が必要となるが、このような構成の変更は、上記する本発明の製造方法に包含されるものである。

また、本発明によるIPMモータ用ロータの製造方法の好ましい実施の形態は、前記磁石用スロットのうち、前記長辺の途中には凸部が設けてあり、前記平面形状が矩形の領域内に２つの分割磁石があるときに該凸部は２つの分割磁石のそれぞれの長辺にラップするように凸部の寸法が設定されており、第２のステップで前記隙間に注入されたモールド樹脂材は、隙間を埋めた後、前記凸部を通って分割磁石の長辺と磁石用スロットの長辺の間の隙間に入り込んでこの隙間も埋めるものである。

本実施の形態の製造方法によれば、磁石用スロットのうち、平面形状が矩形の領域の２つの長辺のそれぞれの途中位置に２つの分割磁石に跨る寸法の凸部がそれぞれ設けられていることにより、分割磁石間の隙間に注入されたモールド樹脂材は、該隙間を満たした後に２つの凸部に流れ込み、この凸部を介して２つの分割磁石の長辺に沿うように流れ込むこととなる。このため、２つの分割磁石は相互にモールド樹脂材にて離れた姿勢を維持しながら、双方の分割磁石はいずれも磁石用スロットの矩形の領域を構成する長辺とも密着することなく、モールド樹脂材を介して離れた姿勢で磁石用スロット内固定が図られる。

したがって、分割磁石同士が接触することなく、かつ、分割磁石と磁石用スロットの長辺に対応する壁面も接触することなく２つの分割磁石が磁石用スロット内に固定されることにより、分割磁石同士が密着して導通状態となり、さらには分割磁石と磁石用スロットの壁面が密着して導通状態となることに起因する渦電流損失の増加を効果的に抑止することができる。

ここで、凸部の平面形状は特に限定されるものではないものの、三角形や半楕円形、半円形などの形状形態を適用することにより、分割磁石間の隙間から流れ出たモールド樹脂材が凸部の形状に案内されて他の領域へ良好に流れ易くなることから好ましい。

以上の説明から理解できるように、本発明のIPMモータ用ロータの製造方法によれば、磁石用スロット内に２つの分割磁石を双方の間に隙間が設けられた姿勢で配し、この隙間に分割磁石固定用のモールド樹脂材を注入して、少なくとも分割磁石同士が接触しない姿勢で磁石用スロット内に２つの分割磁石をモールド樹脂にて固定することにより、導通状態の場合に生じ得る渦電流損失の増加を効果的に解消することができる。

（ａ）は本発明の製造方法の第１のステップを説明した図であって、用意されるロータコアの平面図であり、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ矢視図である。 磁石用スロットを拡大した平面図である。 製造方法の第１のステップを説明した図であって、用意される２つの分割磁石の斜視図である。 （ａ）は製造方法の第２のステップを説明した図であり、（ｂ）は磁石用スロット内を拡大した図である。 （ａ）は図４に続いて製造方法の第２のステップを説明した図であり、（ｂ）は製造されたロータの平面図である。 （ａ）は磁石用スロットの他の実施の形態を２つの分割磁石とともに示した平面図であり、（ｂ）は分割磁石間の隙間に注入されたモールド樹脂材の流れを説明した図である。 （ａ）、（ｂ）はいずれも、磁石用スロットのさらに他の実施の形態の平面図である。 従来の製造方法で用いられるロータコアの平面図である。 （ａ）は磁石用スロットを拡大した平面図であり、（ｂ）は磁石用スロット内に注入されたモールド樹脂材の流れを説明した図である。

以下、図面を参照して本発明のIPMモータ用ロータの製造方法の実施の形態を説明する。なお、図示例では、１つの磁極を２つの略Ｖの字状に配された永久磁石が形成するものであるが、１つの磁極をその長手方向をステータ側に正対させた姿勢の１つの永久磁石が構成する形態であってもよいことは勿論のことである。

（製造方法の実施の形態と磁石用スロットの実施の形態１）
図１〜５はその順に、本発明のIPMモータ用ロータの製造方法のフロー図となっている。より具体的には、図１ａは本発明の製造方法の第１のステップを説明した図であって、用意されるロータコアの平面図であり、図１ｂは図１ａのｂ−ｂ矢視図であり、図２は磁石用スロットを拡大した平面図である。図３は製造方法の第１のステップを説明した図であって、用意される２つの分割磁石の斜視図であり、図４ａは製造方法の第２のステップを説明した図であり、図４ｂは磁石用スロット内を拡大した図である。また、図５ａは図４に続いて製造方法の第２のステップを説明した図であり、図５ｂは製造されたロータの平面図である。

図示するロータコア１０は、ロータ軸方向Ｌに沿って電磁鋼板１が所望高さsまで積層され、かしめられてなる鋼板積層体から構成され、その中央には回転シャフト軸用スロット３が開設され、その端部領域には、周方向に亘って、略Ｖの字状に開設された２つの磁石用スロット２，２が一組となり、これが磁極数だけ開設されてその全体が大略構成されている。なお、ロータコア１０は、図示する鋼板積層体以外にも、鉄、鉄−シリコン系合金、鉄−窒素系合金、鉄−ニッケル系合金、鉄−炭素系合金、鉄−ホウ素系合金、鉄−コバルト系合金、鉄−リン系合金、鉄−ニッケル−コバルト系合金および鉄−アルミニウム−シリコン系合金などの軟磁性金属粉末、もしくは軟磁性金属酸化物粉末がシリコーン樹脂等の樹脂バインダーで被覆された磁性粉末などからなる圧粉成形体から構成されてもよい。

図２で示すように、磁石用スロット２（実施の形態１）は、２つの分割磁石が挿入される平面形状が矩形の領域２ａ（長辺の長さはt1、短辺の長さはt3）と、漏れ磁束抑制用の２つの凸形の領域２ｂ、２ｃから構成されている。

この磁石用スロット２における平面形状が矩形の領域２ａには、図３で示すように２つの平面形状が矩形の分割磁石４，４（平面矩形の長辺の長さはt2、短辺の長さはt4、高さはロータコア１０の高さs）が挿入され、固定される。

ここで、使用される分割磁石４（永久磁石）は、希土類磁石やフェライト磁石、アルニコ磁石等を包含するものであり、希土類磁石としては、ネオジムに鉄とボロンを加えた３成分系のネオジム磁石、サマリウムとコバルトとの２成分系の合金からなるサマリウムコバルト磁石、サマリウム鉄窒素磁石などを挙げることができる。中でも、希土類磁石はフェライト磁石やアルニコ磁石に比して最大エネルギー積（ＢＨ）_ｍａｘが高いことから、高出力が要求されるハイブリッド車等の駆動用モータ用のロータへの適用に好適である。

そして、２つの分割磁石４，４が磁石用スロット２の中でも平面形状が矩形の領域２ａ内で移動自在となるように、t1＞2t2、t3＞t4の関係を有するように双方の長さが設定される。

このように、ロータコア１０と、１磁極当たり４つに磁極数を乗じた基数の分割磁石４を用意する（第１のステップ）。

次に、図４ａで示すように、各磁石用スロット２を構成する矩形の領域２ａ内に２つの分割磁石４，４を挿入する。そして、この分割磁石４，４の挿入においては、図４ｂで示すように、双方の分割磁石４，４間に隙間Ｇを形成するようにして挿入する。すなわち、隙間Ｇを確保した状態で分割磁石４，４を挿入してもよいし、分割磁石４，４を接触姿勢で挿入した後に隙間Ｇを形成してもよい。

この隙間Ｇは、既述するようにt1＞2t2の関係式を満足するように磁石用スロット２と分割磁石４の双方が製作されていることによってその形成が可能となる。

磁石用スロット２内で２つの分割磁石４，４が双方の間に隙間Ｇを有した姿勢で挿入されたら、図５ａで示すように、この隙間Ｇを注入起点としてモールド樹脂材５を注入する。

隙間Ｇを注入起点として注入されたモールド樹脂材５は、この隙間Ｇ内を満たすことで２つの分割磁石４，４を左右端に押しやり、さらに注入されたモールド樹脂材５は、隙間Ｇから流れ出て、磁石用スロット２の他の領域に流れ込んでいく（図５ａ中のＸ１方向）。このモールド樹脂材５の流れは、既述するようにt3＞t4の関係式を満足するように磁石用スロット２と分割磁石４の双方が製作されていることによって可能となる。

隙間Ｇと磁石用スロット２の他の領域をモールド樹脂材５が完全に満たし、これが硬化することによって、磁石用スロット２内において、２つの分割磁石４，４が相互に離れた姿勢で固定された構造が形成される。

そして、この磁石用スロット内構造が全ての磁石用スロット２内で形成されることにより、図５ｂで示すロータ１００が製造される。

図示するロータ１００によれば、磁石用スロット２内において、２つの分割磁石４，４が相互に離れた姿勢で固定されていることにより、分割磁石４，４が接触姿勢で磁石用スロット内に固定される際に双方の磁石間が導通状態であることに起因する渦電流損失の増加といった問題が効果的に解消される。

（磁石用スロットの実施の形態２）
図６ａは、磁石用スロットの実施の形態２を２つの分割磁石４，４とともに示した平面図である。

図示する磁石用スロット２Ａは、これを構成する平面形状が矩形の領域２ａの長辺の途中に平面形状が三角形の凸部２ｄが設けられたものである。そして、平面形状が矩形の領域２ａ内に２つの分割磁石４，４があるときに、この凸部２ｄは２つの分割磁石４，４のそれぞれの長辺にラップするような寸法に設定されている。

そして、図６ｂで示すように、分割磁石４，４間の隙間Ｇにモールド樹脂材５を注入すると、モールド樹脂材５は隙間Ｇを満たした後に２つの凸部２ｄ、２ｄに流れ込み（Ｘ２方向）、この凸部２ｄを介して２つの分割磁石４，４の長辺と矩形の領域２ａのスロット壁面間に流れ込み、さらに側方の凸形の領域２ｂ、２ｃに流れ込んでいく。このため、２つの分割磁石４，４は、相互にモールド樹脂材５にて離れた姿勢を維持しながら、さらに、双方の分割磁石４，４はいずれも磁石用スロット２Ａの矩形の領域２ａを構成する長辺とも密着することなく、モールド樹脂材５を介して離れた姿勢で磁石用スロット内固定（磁石用スロットの中央位置での固定）が図られる。

このことにより、分割磁石４，４同士が接触することなく、かつ、分割磁石４と磁石用スロット２Ａの長辺に対応する壁面も接触することなく、２つの分割磁石４，４が磁石用スロット２Ａ内に固定されることとなり、分割磁石４，４同士が密着して導通状態となり、さらには分割磁石４と磁石用スロット２Ａの壁面が密着して導通状態となることに起因する渦電流損失の増加を効果的に抑止することができる。すなわち、磁石用スロット２（実施の形態１）に比してより一層高い渦電流損失抑止効果を期待することができる。

（磁石用スロットの実施の形態３，４）
図７ａは、磁石用スロットの実施の形態３を示した平面図であり、図７ｂは、磁石用スロットの実施の形態４を示した平面図である。

実施の形態３にかかる磁石用スロット２Ｂは、平面形状が半円形の凸部２ｅを有するものであり、実施の形態４にかかる磁石用スロット２Ｃは、平面形状が半楕円形の凸部２ｆを有するものである。

三角形の凸部２ｄを含め、凸部２ｄ、２ｅ、２ｆはいずれも、分割磁石間の隙間から流れ込んできたモールド樹脂材をこれらの形状をなす凸部の壁面でスムーズに他の領域に案内することができ、磁石用スロットの矩形の領域の長辺と分割磁石の長辺の間にモールド樹脂材を効果的に流れ込ませることができる。

以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。

１…電磁鋼板、２，２Ａ，２Ｂ，２Ｃ…磁石用スロット、２ａ…（平面形状が）矩形の領域、２ｂ、２ｃ…凸形の領域、２ｄ、２ｅ、２ｆ…凸部、３…回転シャフト軸用スロット、４…分割磁石、５…モールド樹脂材、１０…ロータコア、１００…ロータ、Ｇ…隙間

Claims (2)

1. ロータ軸に沿う方向に設けられた磁石用スロット内に該ロータ軸方向の長さを有する２つの平面形状が矩形の分割磁石が埋設されたIPMモータ用ロータの製造方法であって、
   前記磁石用スロットの平面形状は、長辺と短辺を有する矩形と、２つの短辺からそれぞれ外側に凸の凸形とが組み合わされた形状を呈しており、磁石用スロットの長辺の長さをt1とし、２つの分割磁石のうち、前記長辺に対応する分割磁石の長辺の長さをt2とした際に、t1＞2t2の関係を有し、かつ、２つの分割磁石は磁石用スロットの中でも平面形状が矩形の領域内で移動自在である、磁石用スロットが開設されたロータコアと分割磁石を用意する第１のステップ、
   磁石用スロット内に２つの分割磁石を双方の間に隙間が設けられた姿勢で配し、該隙間に分割磁石固定用のモールド樹脂材を注入して、少なくとも分割磁石同士が接触しない姿勢で磁石用スロット内に２つの分割磁石をモールド樹脂にて固定する第２のステップからなり、
   前記磁石用スロットのうち、前記長辺の途中には凸部が設けてあり、前記平面形状が矩形の領域内に２つの分割磁石があるときに該凸部は２つの分割磁石のそれぞれの長辺にラップするように凸部の寸法が設定されており、
   第２のステップで前記隙間に注入されたモールド樹脂材は、隙間を埋めた後、前記凸部を通って分割磁石の長辺と磁石用スロットの長辺の間の隙間に入り込んでこの隙間も埋めるIPMモータ用ロータの製造方法。
2. 前記凸部の平面形状が、三角形、半楕円形、半円形のいずれかである請求項１に記載のIPMモータ用ロータの製造方法。

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