JP5321664B2 - 界磁極用磁石体、この界磁用磁石体の作製方法、及び永久磁石型回転電機 - Google Patents
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特許文献1に記載された界磁極用磁石体は、鉄心の軸方向又は周方向に複数に分割された磁石片の全体が、その各磁石片相互間を絶縁した状態で絶縁層により被覆されているものであり、永久磁石型電動機の鉄心外周部の周方向であって、互いに間隔をあけた複数箇所に設けた複数の取付け孔にそれぞれ挿入埋設して使用される。
1)磁石片間やこれら磁石片の周囲に絶縁層が形成されていることに加え、分割された個々の各磁石片の寸法誤差が、界磁極用磁石体を鉄心に挿入するときの形状寸法に積算されるため、寸法公差を小さく取れない。
3)磁石片を、上記した回転刃物によって切断分割分割形成すると切断粉が発生し、このために材料歩留まりが悪化することに加え、硬度の高い材料のために切断工程タクトタイムが長くなってコスト高となる。
特に高性能な希土類磁石であるNdFeB及びSmCo磁石は高価であるために、切断による材料歩留まりの悪化は、製品コストアップへ及ぼす影響が他の部品として使用される構造用鋼材等に比較して著しく大きい。
5)磁石片間やこれら磁石片の周囲にそれぞれ絶縁層を形成しているために、その絶縁層を設けるためのコストが必要となる。
6)一方、特許文献1に記載された界磁極用磁石体において、磁石片間に絶縁層を形成しない場合、磁石片と磁石片が接触している破断面の接触抵抗が低下して、分割による発熱抑制の効果が低下する。
また、磁石片どうしの破断面における電気抵抗値を、当該破断面に垂直な方向における単位長さあたりの磁石片自体の電気抵抗値に対して所定の値とすることにより、発熱抑制効果を向上させることができる。
ロータ本体21は、界磁極用磁石体30を挿入嵌合するための正面視横長方形にした嵌合孔22…を、上記軸心Oを中心とした同一円周上に等角度間隔で形成したものである。
換言すると、界磁極用磁石体30…が、上記軸心Oを中心とした同一円周上に等角度間隔で配列されている。なお、23は、軸心Oに一致してロータ本体21に連結された回転軸である。
界磁極用磁石体30は、一の永久磁石30´を破断分割することにより形成した2つの磁石片31,32どうしを、互いに並列させて構成したものである。
本実施形態においては、図2に示すように、上記嵌合孔22の断面形状と同形同大の断面にした直方体形に形成している。換言すると、嵌合孔22に挿入嵌合できる大きさに成形されている。
なお、NdFeB磁石を例として示しているが、これに限るものではなく、例えばSmCo磁石等を採用することができることは勿論である。
この破断用切欠き33は、特定の形状や大きさに限定されるものではないが、大きなものは磁石体積の減少を招き、最終使用時に得られる磁束が小さくなってしまうために好ましくない。
上記のような破断用切欠き33を永久磁石30´に形成することにより、破断分割時に加えられる応力を集中させることができるようになり、所望の位置において所望の個数に破断分割することが容易となる。
本実施形態においては、破断分割に係る隣り合う磁石片31,32の破断面31a,32aどうしを直接当接している。
具体的には、破断面31a,32aにおける電気抵抗値を0.5mΩ以上にしている。
まず、破断分割に係る隣接する磁石片31,32の破断面31a,32aどうしを直接当接させているので、それらの破断面どうしは、これらの一部の領域又は全部の領域が直接接触する。
破断面どうしが直接接触する場合の接触抵抗値は、それらの破断面どうしの真実接触面積に左右され、また、接触抵抗値は上記真実接触面積の逆数に比例すると考えられる。
真実接触面積は、表面に存在するミクロな突起の平均曲率と荷重によって変化する接触面積×接触点数で表される。
そこで、本実施形態においては、破断面に作用する荷重を増減変化させることにより、破断面31a,32aにおける電気抵抗値を設定している。
「破断面31a,32aに垂直な方向」は、図3,4にαで示す方向である。換言すると、図2に示す長辺30b´,30b´に平行な方向である。
また、上記のように、永久磁石30´を、嵌合孔22の断面形状と同形同大の断面にした直方体形に形成しておくことにより、これを破断分割して界磁極用磁石体30としたときにも、その嵌合孔22への挿入嵌合を容易に行うことができる。
ここで「外力」とは、機械的なものの他、破断用切欠き33において当該永久磁石30´を熱膨張又は収縮させるような加熱・冷却によるものを含む。
熱膨張又は収縮させるような加熱・冷却によるものの具体例としては、永久磁石30´を高温の炉に入れて急速に加熱することや、加熱した永久磁石30´を例えば液体窒素等の冷媒により急冷すること等が考えられる。
また、磁石渦電流損失による発熱を抑制することにより、永久磁石の減磁を抑制して、より高い電流をステータに流すことができるようになり、高出力を発揮する電動機をさらに安価に得ることができる。
上記においては、界磁極用磁石体をロータに埋設した所謂埋設構造の電動機(IPM)に適用した例について説明したが、表面磁石構造(SPM)の電動機についても適用できる。また、ロータに配設することに限らずステータに配設してもよく、さらには、発電機にも適用できることは勿論である。
破断面の酸化処理は、大気中で加熱することや、所要の薬品を用いること等が考えられる。また、破断面どうしを当接させずに、それらの破断面間に隙間を設けた構成にしてもよい
。
破断分割後の破断面を上記したように酸化させることにより、破面硬さを向上させることができるとともに、磁石片どうしを組み合わせて当接させたときの破面割れや欠けを防止することができる。また、発熱もより効果的に抑制できる。
低導電材としては、接着剤,樹脂又はセラミクスのいずれかを採用することができる。
前述したように、介在させる樹脂等の厚みが厚く、破断前の寸法の100分の1以上の寸法変化があると最終仕上げ加工が必要であるが、本実施形態においては、破断面に垂直な方向の寸法増加が破断前の寸法の100分の1以下となる厚みにできるので、コストダウン、工程の簡素化を図ることができる。
なお、低導電材を、磁石片の破断面の少なくとも一部の領域に配設することができる。
すなわち、従来においては、発熱抑制効果を得るために、上記の絶縁層(絶縁紙)が必須の要件であると考えられていたが、本実施例のような破断面を形成することによっても、比較例2と同等の発熱抑制効果を得られることを確認できた。また、発熱の抑制は、破断面の数、従ってまた、分割する数が増加するのに従って、より効果的に発揮できるものと考えられる。
なお、表2における比較例1,2、実施例1〜4は、表3においては、順に「◇」、「□」、「△」、「×」、「○」、「●」がそれぞれ対応している。
図8に示す抵抗測定装置Bは、ACミリオームテスタ(HIOKI社製)を用いた4端子法による測定を行うものであり、冶具50,51の間に挟み込んだ界磁極用磁石体70に、破断面に直交する方向αに荷重を作用するものであり、任意値の荷重を加えられるようになっている。なお、冶具50,51と界磁極用磁石体70との間は絶縁されている。
界磁極用磁石体70は、上記した30×30×厚さ5mmの永久磁石を3分割して、三つの磁石片71〜73を、互いの破断面を直接当接させて対向した構成のものである。
なお、52,53はリード端子であり、磁石片71と磁石片73に接続している。
なお、80は空芯誘導コイル60に向けて送出する所要の信号を発生するための信号発生器、81は、上記信号発生器80で発生した所要の信号を増幅するための増幅器、82は、空芯誘導コイル60、界磁極用磁石体70及び断熱材61,62を収容した有底円筒形のケースである。
表2において、比較例1として示すものは分割を行っていない磁石、比較例2として示すものは、切断によって10mm幅に3分割するとともに、破断面間に絶縁紙を挟み込んだものである。
実施例1として示すものの接触抵抗値を変化させながら実験を行ったところ、磁石片間の破断面(「界面」ともいう。)1つあたりに換算した接触抵抗値が5mΩ以上の場合には完全に絶縁した上記比較例2と同等の発熱抑制効果が認められた(表3参照)。
実施例2では接触界面1つあたりの抵抗値が1.5mΩ(素材抵抗値の15倍)であり、温度上昇は8℃まで抑えられた(表3参照)。この場合の接着層の介在による寸法変化は、磁石長さ30mmに対して10μm未満であり、測定不可であったため、寸法精度良く必要な接触抵抗を得る方法として有用と考えられる。
上記実施例3に示すものの場合、接触抵抗値が680mΩと十分高い値を示し、比較例2と同等の発熱抑制効果が見られた(表3参照)。スプレー塗布による寸法誤差としては0.1%程度であり、寸法精度良く必要な接触抵抗を得る方法として有用と考えられる。
この場合、接触抵抗値は430mΩと高い値を示し、比較例2と同等の発熱抑制効果が見られた(表3参照)。
30,40 界磁極用磁石体
30´ 一の永久磁石
31,32 磁石片
Claims (15)
- 永久磁石型回転電機のロータ又はステータに配設する界磁極用磁石体において、
一の永久磁石を破断分割することにより形成した複数の磁石片どうしを、互いに並列させて構成しており、
前記永久磁石を破断分割することにより表出した磁石片の破断面どうしを互いに対向させていることを特徴とする界磁極用磁石体。 - 永久磁石は、ロータ又はステータに配設するために予め所定の形状に成形されていることを特徴とする請求項1に記載の界磁極用磁石体。
- 破断分割に係る隣り合う磁石片どうしを、これらの破断面を対向当接させて並列していることを特徴とする請求項1又は2に記載の界磁極用磁石体。
- 並列させた磁石片の破断面どうしを直接接触させており、その破断面における電気抵抗値が、当該破断面に垂直な方向における単位長さ1cmあたりの磁石片自体の電気抵抗値に対し、5倍以上であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の界磁極用磁石体。
- 破断面における電気抵抗値が0.5mΩ以上であることを特徴とする請求項4に記載の界磁極用磁石体。
- 並列させた磁石片の破断面どうしを直接接触させており、その破断面における電気抵抗値が、当該破断面に垂直な方向における単位長さ1cmあたりの磁石片自体の電気抵抗値に対して、50倍以上であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の界磁極用磁石体。
- 破断面における電気抵抗値が5mΩ以上であることを特徴とする請求項6に記載の界磁極用磁石体。
- 並列させた磁石片どうしを接着していることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の界磁極用磁石体。
- 並列させた隣り合う磁石片どうしを、これらの破断面間のみに、それらの破断面に垂直な方向の寸法増加が破断前の寸法の100分の1以下となる厚みであって、その磁石片よりも低い導電率の低導電材を挟入していることを特徴とする請求項3〜8のいずれか1項に記載の界磁極用磁石体。
- 低導電材を、磁石片の破断面の少なくとも一部の領域に配設していることを特徴とする請求項9に記載の界磁極用磁石体。
- 低導電材は、接着剤,樹脂又はセラミクスのいずれかであることを特徴とする請求項9又は10に記載の界磁極用磁石体。
- 永久磁石には、破断分割しようとする位置に破断用切欠きが形成されていることを特徴とする請求項1〜11のいずれか1項に記載の界磁極用磁石体。
- 互いに対向する磁石片の破断面の少なくとも一方を酸化させていることを特徴とする請求項1〜12のいずれか1項に記載の界磁極用磁石体。
- 請求項12又は13に記載の永久磁石に形成されている破断用切欠きに、外力を集中的に加えることにより、当該破断用切欠きにおいて破断分割することを特徴とする界磁用永久磁石体の作製方法。
- 永久磁石型回転電機のロータ又はステータに、請求項1〜14のいずれか1項に記載の界磁極用磁石体を配設していることを特徴とする永久磁石型回転電機。
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