JP5929147B2

JP5929147B2 - 回転電機のロータ構造

Info

Publication number: JP5929147B2
Application number: JP2011268642A
Authority: JP
Inventors: 寿行椛嶌; 宣夫坂手
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2011-12-08
Filing date: 2011-12-08
Publication date: 2016-06-01
Anticipated expiration: 2031-12-08
Also published as: JP2013121274A

Description

本発明は、回転電機のロータ構造に関し、特に、埋込磁石型同期モータのロータ構造に関するものである。

従来から、埋込磁石型同期モータ（ＩＰＭＳＭ）等の永久磁石型のロータを有するモータは、自動車の駆動用モータやポンプ類駆動用モータ、パワステ駆動用モータ、さらには冷蔵庫や洗濯機、乾燥機といった家電製品の駆動用モータに用いられており、その高出力化および高効率化が求められている。

このような状況において、樹脂中に永久磁石粉末を分散させた、所謂ボンド磁石の長所である磁化方向制御の簡便さや、形状成形自由度の高さや、他部材との一体成形性の容易さを利用して、従来の永久磁石型のロータを有するモータの性能を向上させることが試みられている。

例えば、特許文献１には、圧粉磁心と磁石とで構成された回転子で、前記圧粉磁心と磁石とを同時に圧縮成形することが記されている。具体的には、特許文献１に記載された発明は、モータのロータコアを粉末材料を成形して構成し、その成形体は結合材および磁石粉末を主とするボンド磁石部と、結合材および軟磁性粉末を主とする軟磁性部とを有し、圧縮成形手段を用いて形成された永久磁石型のロータであり、低コギング化と高出力化とを実現しようとするものである。

特開２００６−３２００３６号公報

ところで、上記特許文献１のものは、ロータコア内部に永久磁石を配置していない（埋め込んでいない）タイプのモータであるところ、低コギング化によるモータの振動低減及び騒音低減は重要な技術課題の１つであり、ロータコア内部に永久磁石を配置した埋込磁石型同期モータにおいても、低コギング化の達成が求められている。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、埋込磁石型同期モータのロータ構造において、簡単な構成で、コギングトルクを低減する技術を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明に係る回転電機のロータ構造では、ロータとステータとの間のエアギャップ磁束密度の急峻な変化を抑制する機能を有する、軟磁性材を含むリング状部材で、ロータコアの外周面を覆うようにしている。

具体的には、第１の発明は、回転中心となる回転軸部材と、当該回転軸部材の外側に設けられる、略円環状の軟磁性鋼板を当該回転軸部材の軸方向に積層した略円筒形状のロータコアと、を備え、当該ロータコアの外周部に、当該回転軸部材の軸方向に延びる複数の永久磁石が当該ロータコアの円周方向に略等間隔で配設された回転電機のロータ構造を対象とする。

そして、上記ロータコアの外周面を覆う、磁化容易軸を有する軟磁性材粉末と樹脂材とを含む軟磁性リング部材をさらに備え、上記各軟磁性材粉末は、上記ロータコアの外周面における磁束密度波形を正弦波に近づけるべく、その磁化容易軸が、上記軟磁性リング部材における、上記複数の永久磁石のうち相隣合う永久磁石間に対応する部位で、上記回転軸部材の略中心に向かって突出する円弧に沿うように配向された状態で上記樹脂材により接着されていることを特徴とするものである。

第１の発明によれば、ロータコアの外周面を覆う軟磁性リング部材に含まれている各軟磁性材粉末が、当該軟磁性リング部材によって覆われているロータコアの外周面における磁束密度波形を正弦波に近づけるべく、その磁化容易軸が、軟磁性リング部材における、複数の永久磁石のうち相隣合う永久磁石間に対応する部位で、回転軸部材の略中心に向かって突出する円弧に沿うように配向されていることから、換言すると、あたかもボンド磁石において極異方性着磁された磁石粉末の如く配向されていることから、ロータコア外周面に磁気異方性が付与され、ロータコアの外周面における磁束密度波形が正弦波に近づき、ロータとステータとの間のエアギャップ磁束密度の急峻な変化を抑制することができる。これにより、埋込磁石型同期モータのロータにおいて、コギングトルクを低減することが可能となり、かかるコギングトルクに起因する騒音および振動を低減することができる。

なお、本発明において、「磁化容易軸」とは、「結晶磁気異方性を持つ磁性体における磁化され易い結晶方位」のみを意味するのではなく、より広く形状磁気異方性を含めて「磁性体における磁化の方向が向きやすい軸」を意味する。

第２の発明は、回転中心となる回転軸部材と、当該回転軸部材の外側に設けられる、略円環状の軟磁性鋼板を当該回転軸部材の軸方向に積層した略円筒形状のロータコアと、を備え、当該ロータコアの外周部に、当該回転軸部材の軸方向に延びる複数の永久磁石が当該ロータコアの円周方向に略等間隔で配設された回転電機のロータ構造を対象とする。

そして、上記ロータコアの外周面を覆う、磁化容易軸を有する軟磁性材粉末と樹脂材とを含む軟磁性リング部材をさらに備え、上記各軟磁性材粉末は、その磁化容易軸が、上記軟磁性リング部材における、上記複数の永久磁石のうち相隣合う永久磁石間に対応する部位で、上記回転軸部材の略中心に向かって突出する円弧に沿うように配向された状態で上記樹脂材により接着されていることを特徴とするものである。

第２の発明であっても、軟磁性材粉末が、その磁化容易軸が回転軸部材の略中心に向かって突出する円弧に沿うように配向されていることから、換言すると、あたかもボンド磁石において極異方性着磁された磁石粉末の如く配向されていることから、ロータコア外周面に磁気異方性が付与される。これにより、ロータとステータとの間のエアギャップ磁束密度の急峻な変化が抑制されるので、コギングトルクを低減することができる。

第３の発明は、上記第１又は第２の発明において、上記各軟磁性材粉末は、長径と短径とを有していて、長径方向が磁化容易軸と一致していることを特徴とするものである。

ところで、形状磁気異方性を有する軟磁性材では、反磁界の大きさは磁極間距離に反比例するので、軟磁性材粉末の長径方向では磁束が流れ易くなるとともに、短径方向では磁束が流れ難くなる。そうして、第３の発明では、長径方向が磁化容易軸と一致し、換言すると、軟磁性材の磁気特性が結晶磁気異方性に依らず形状磁気異方性に依存し、且つ、長径方向が回転軸部材の略中心に向かって突出する円弧に沿うように軟磁性材粉末を配向するので、ロータコアの外周面における磁束密度波形を正弦波に近づけることができる。

本発明に係る回転電機のロータ構造によれば、ロータコアの外周面を覆う軟磁性リング部材に含まれている各軟磁性材粉末が、その磁化容易軸が上記軟磁性リング部材における、上記複数の永久磁石のうち相隣合う永久磁石間に対応する部位で、上記回転軸部材の略中心に向かって突出する円弧に沿うように配向されていることから、ロータとステータとの間のエアギャップ磁束密度の急峻な変化を抑制して、コギングトルクを低減することができる。

本発明の実施形態に係る回転電機のロータを示す斜視図である。図１のII−II線の矢視図である。軟磁性材粉末を示す模式図である。軟磁性リング部材における、軟磁性材粉末の配向状態を模式的に示す図である。横軸に回転角度を縦軸に磁束密度をとったときの、ロータコア外周面における磁束密度波形を表す図である。回転電機のロータの製造方法のフローチャートである。金型及びこれに配置されたロータコアを示す断面図である。磁場配向射出成形を説明する模式図である。その他の実施形態に係るロータの製造方法を模式的に説明する図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本実施形態に係る回転電機のロータを示す斜視図であり、図２は、図１のII−II線の矢視図である。このロータ１は、例えば、車両におけるポンプ類駆動用モータやパワステ駆動用モータさらには家電製品の駆動用モータ等、２ｋＷ以下の比較的低出力のモータに好適に用いられるものであり、図１に示すように、回転中心となる金属製のロータシャフト（回転軸部材）３と、当該ロータシャフト３の外側に設けられる略円筒形状のロータコア５と、当該ロータコア５の外周面を覆う軟磁性リング部材７と、を備えている。

ロータコア５は、プレスで打ち抜いた薄い軟磁性鋼板１５を、より詳しくは、中央部に形成された円形開口１５ａと、外周部に等間隔で形成された８つの矩形開口１５ｂとを有する略円環状の薄い軟磁性鋼板１５を、円形開口１５ａ及び矩形開口１５ｂがロータシャフト３の軸方向に連なるように積層一体化することにより形成されている。これにより、ロータコア５は、その中央部に断面円形の中央貫通孔（円形開口１５ａの連なり）５ａを有するとともに、その外周部に当該ロータコア５の円周方向に等間隔で並ぶ８つの断面矩形状の貫通孔（矩形開口１５ｂの連なり）５ｂを有する、略円筒形状をなしている。

そうして、かかる中央貫通孔５ａには、ロータシャフト３が挿通固定されている一方、外周部の８つの貫通孔５ｂには、ロータシャフト３の軸方向に延びる断面矩形状の永久磁石（例えば、Ｎｄ焼結磁石、フェライト等）１１がそれぞれ挿通固定されている。換言すると、このロータコア５では、８本の永久磁石１１がその長手方向が円周方向に沿うように等間隔で配置されていて、これら８本の永久磁石１１が８つの磁極を形成するようになっている。つまり、本実施形態のロータ１は、埋込磁石型同期モータであり、ロータコア５の磁化によるリラクタンストルクと永久磁石１１の磁化によるマグネットトルクの両方を利用することが可能となっている。

軟磁性リング部材７は、バインダー樹脂２７（例えば、ポリアミド（ＰＡ１２等）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ)等）と、軟磁性材粉末１７（例えば、純鉄、鉄シリコン、パーマロイ等）とを含んでおり、後述するように、これらバインダー樹脂２７（樹脂材）と軟磁性材粉末１７とを混合してコンパウンド化した後、ロータコア５が設置された金型９で配向磁場射出成形することにより、当該軟磁性リング部材７の内周面とロータコア５の外周面とがバインダー樹脂２７で接着されている。

ところで、埋込磁石型同期モータでは、ロータコアに埋め込まれた永久磁石が半永久的に磁束を外部に発生することに起因して、無通電状態でロータを回すと、永久磁石とステータの相互作用によりコギングトルク（脈動トルク）が発生し、かかるコギングトルクが、通電状態でモータが発生するトルク（リラクタンストルク及びマグネットトルク）に重畳的に作用することにより、モータの騒音および振動を増大させるという問題がある。また、コギングトルクを抑えるために、例えば、極数を増やすことも考えられるが、磁極を増加させると、インバータのスイッチング回数を増やすことになり、インバータロスの増大を招くという問題がある。

そこで、本実施形態のロータ１では、軟磁性リング部材７に含まれる各軟磁性材粉末１７が、その磁化容易軸が所定の方向を向くように配向された状態でバインダー樹脂２７により接着されている。具体的には、各軟磁性材粉末１７は、その磁化容易軸が、当該軟磁性リング部材７における、８つの永久磁石１１のうち相隣合う永久磁石１１の間に対応する部位で、ロータシャフト３の略中心に向かって突出する円弧に沿うように、換言すると、ロータコア５の１つの磁極中心線５ｃと相隣合う磁極中心線５ｃの間の扇形の部分を覆う軟磁性リング部材７の部位において、径方向内側に湾曲する円弧（図２及び図４の矢印参照）に沿うように配向されている。なお、本実施形態の「磁化容易軸」とは、「結晶磁気異方性を持つ磁性体における磁化され易い結晶方位」（以下、「狭義の磁化容易軸」という）のみを意味するのではなく、より広く形状磁気異方性を含めて「磁性体における磁化の方向が向きやすい軸」を意味する。

より詳しくは、各軟磁性材粉末１７（軟磁性材粒子）は、図３に示すように、長径（長軸）と短径（短軸）とを有する楕円球状に造粒されており、その磁気特性は結晶磁気異方性に依らず形状磁気異方性に依存している。換言すると、各軟磁性材粉末１７は、狭義の磁化容易軸を加味しても、長径方向が磁化方向となっており（長軸が磁化容易軸と一致しており）、長径方向に磁束が流れ易くなっている。

そうして、この軟磁性リング部材７では、軸方向から見て、軟磁性リング部材７における、相隣合う永久磁石１１の間に対応する部位で、ロータシャフト３の略中心に向かって突出する円弧と平行な配向磁場を、ロータコア５の成形時に配向用電磁石２５を用いて印加することにより、図４に示すように、各軟磁性材粉末１７の長軸がかかる円弧に沿うように各軟磁性材粉末１７が配向されている。なお、図４では、図を見易くするために、軟磁性材粉末１７の一部だけを図示しているが、図示されてない軟磁性材粉末１７もその長軸が円弧に沿うように配向された状態で、バインダー樹脂２７により接着されている。

このように、その長軸が上記円弧に沿うように軟磁性材粉末１７を配向することにより、この軟磁性リング部材７では、図２及び図４の矢印で示す方向に磁束が流れ易くなり、ロータコア５の外周面に磁気異方性が付与されるので、あたかもリング状のボンド磁石を極異方性着磁した場合と同様に、ロータコア５の外周面における磁束密度波形（ギャップの磁束密度分布）を正弦波に近づけることができる。

それ故、図５に示すように、本実施形態のロータ１の場合（図５の実線ａ）は、ボンド磁石部材７を設けていない従来のロータの場合（図５の破線ｂ）と比較して、磁束密度の急峻な変化を抑制して、換言すると、磁束変化の勾配をなだらかにして、コギングトルクを大幅に低減することができ、その結果、埋込磁石型同期モータの振動低減や騒音低減を実現することができる。

−ロータの製造方法−
次に、本実施形態に係る回転電機のロータ１の製造方法を、図６に示すフローチャートに基づいて説明する。

先ず、ステップＳ１では、中央部に形成された円形開口１５ａと、外周部に等間隔で形成された８つの矩形開口１５ｂとを有する略円環状の軟磁性鋼板１５をプレスで打ち抜き、かかる軟磁性鋼板１５を、円形開口１５ａ及び矩形開口１５ｂが軸方向に連なるように積層一体化し、ロータコア５を形成する。

次のステップＳ２では、軟磁性材粉末１７とバインダー樹脂２７とを混合してコンパウンド化する。

次いで、金型９を用意する。この金型９は、図７に示すように、リング状の突条部１９ａを有する固定型１９と、中央に円柱部２９ａを有する有底筒状の可動型２９とを備えており、突条部１９ａによって相対的に凹んだ部位１９ｂに円柱部２９ａの先端を挿入するとともに、リング状の突条部１９ａに可動型２９の筒部２９ｂを外嵌合させて、固定型１９と可動型２９とを組み合わせることにより、その内部に略円筒形状のキャビティ９ａが形成されるようになっている。また、固定型１９のリング状の突条部１９ａの外周部には、ゲート部１３が８つ貫通形成されており、これら８本のゲート部１３は、コンパウンド化された軟磁性材粉末１７及びバインダー樹脂２７を射出するための射出ユニット２３とそれぞれ繋がっている。

そうして、ステップＳ３で、円柱部２９ａをロータコア５の中央貫通孔５ａに差し込んで、金型９を型締めすることにより、ロータコア５を金型９に形成されたキャビティ９ａ内に設置する（設置工程）。これにより、キャビティ９ａ内に設置されたロータコア５の周りには、８本のゲート部１３が臨む、リング状の空間９ｂが形成される。

次のステップＳ４では、図８に示すように、金型９の外側で、且つ、キャビティ９ａ内に設置されたロータコア５の各貫通孔５ｂと径方向に対向する位置に、８つの配向用電磁石２５を配置する。そうして、軟磁性リング部材７における、相隣合う永久磁石１１間に対応する部位で、ロータシャフト３の略中心に向かって突出する円弧と平行な配向磁場を、８つの配向用電磁石２５から印加しながら、ステップＳ２でコンパウンド化された材料をゲート部１３からキャビティ９ａ内に射出して、ロータコア５の外周面を覆うように、軟磁性リング部材７を成型する。なお、図８では、図を見易くするために、金型９を図示省略している。

また、磁場配向射出成形における成形条件は、バインダー樹脂２７がポリアミドの場合には、シリンダー温度が２２０〜２７０（℃）、金型温度が５０〜１００（℃）、射出圧力が１２０〜１７０（ＭＰａ）、配向磁場が５〜１５（ｋＯｅ）であることが望ましく、また、バインダー樹脂２７がポリフェニレンサルファイドの場合には、シリンダー温度が２７０〜３４０（℃）、金型温度が１２０〜１５０（℃）、射出圧力が１３０〜１８０（ＭＰａ）、配向磁場が５〜１５（ｋＯｅ）であることが望ましい。

軟磁性材粉末１７がバインダー樹脂２７によって接着されると、ステップＳ５において、可動型２９を固定型１９から離間させて金型９を型開きし、ロータコア５及びこれに接着された軟磁性リング部材７を金型９から脱型する。

次のステップＳ６では、ロータコア５に形成された中央貫通孔５ａにロータシャフト３を挿通固定し、次のステップＳ７では、着磁された８つの永久磁石１１を、径方向外側にＮ極とＳ極が交互に並ぶように８つの貫通孔５ｂに挿通固定する。

以上により、その長軸が、相隣合う永久磁石１１の間に対応する部位でロータシャフト３の略中心に向かって突出する円弧に沿うように配向された軟磁性材粉末１７を含む軟磁性リング部材７によって、ロータコア５の外周面が覆われた埋込磁石型同期モータのロータ１を、磁場配向射出成形を用いた簡単な方法で製造することができる。

−効果−
本実施形態によれば、軟磁性材粉末１７が、その長軸がロータシャフト３の略中心に向かって突出する円弧に沿うように配向されていることから、換言すると、あたかもボンド磁石において極異方性着磁された磁石粉末の如く配向されていることから、ロータコア５の外周面に磁気異方性が付与されて、ロータコア５の外周面における磁束密度波形を正弦波に近づく。これにより、ロータ１とステータとの間のエアギャップ磁束密度の急峻な変化を抑制して、コギングトルクを低減することができる。

（その他の実施形態）
本発明は、実施形態に限定されず、その精神又は主要な特徴から逸脱することなく他の色々な形で実施することができる。

上記実施形態では、磁場配向射出成形の際に、ロータコア５と軟磁性リング部材７とを一体化するようにしたが、これに限らず、例えば、ロータコア５と軟磁性リング部材７とを別々に製造し、図９に示すように、ロータコア５を軟磁性リング部材７に挿入して、ロータコア５の外周面と軟磁性リング部材７の内周面とを接着剤等を用いて接合してもよい。

また、上記実施形態では、バインダー樹脂２７としてポリアミド、ポリフェニレンサルファイドを、また、軟磁性材粉末１７として純鉄、鉄シリコン、パーマロイ、また、永久磁石１１としてＮｄ焼結磁石、フェライトを挙げたが、これらは例示であり、他のバインダー樹脂、軟磁性材粉末及び永久磁石を用いてもよい。

さらに、上記実施形態では、軟磁性材粉末１７の磁気特性を、結晶磁気異方性に依らず形状磁気異方性に依存するようにしたが、これに限らず、形状磁気異方性に依らず結晶磁気異方性に依存するようにしても、換言すると、軟磁性材粉末１７における磁化の方向が向きやすい軸を、狭義の磁化容易軸と一致させるようにしてもよい。

このように、上述の実施形態はあらゆる点で単なる例示に過ぎず、限定的に解釈してはならない。さらに、特許請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内のものである。

以上説明したように、本発明は、回転中心となる回転軸部材と、その外側に設けられる略円筒形状のロータコアと、を備え、当該ロータコアの外周部に複数の永久磁石が略等間隔で配設された回転電機のロータ等について有用である。

１ロータ
３ロータシャフト（回転軸部材）
５ロータコア
７軟磁性リング部材
１１永久磁石
１５軟磁性鋼板
１７軟磁性材粉末
２７バインダー樹脂（樹脂材）

Claims

回転中心となる回転軸部材と、当該回転軸部材の外側に設けられる、略円環状の軟磁性鋼板を当該回転軸部材の軸方向に積層した略円筒形状のロータコアと、を備え、当該ロータコアの外周部に、当該回転軸部材の軸方向に延びる複数の永久磁石が当該ロータコアの円周方向に略等間隔で配設された回転電機のロータ構造であって、
上記ロータコアの外周面を覆う、磁化容易軸を有する軟磁性材粉末と樹脂材とを含む軟磁性リング部材をさらに備え、
上記各軟磁性材粉末は、上記ロータコアの外周面における磁束密度波形を正弦波に近づけるべく、その磁化容易軸が、上記軟磁性リング部材における、上記複数の永久磁石のうち相隣合う永久磁石間に対応する部位で、上記回転軸部材の略中心に向かって突出する円弧に沿うように配向された状態で上記樹脂材により接着されていることを特徴とする回転電機のロータ構造。
回転中心となる回転軸部材と、当該回転軸部材の外側に設けられる、略円環状の軟磁性鋼板を当該回転軸部材の軸方向に積層した略円筒形状のロータコアと、を備え、当該ロータコアの外周部に、当該回転軸部材の軸方向に延びる複数の永久磁石が当該ロータコアの円周方向に略等間隔で配設された回転電機のロータ構造であって、
上記ロータコアの外周面を覆う、磁化容易軸を有する軟磁性材粉末と樹脂材とを含む軟磁性リング部材をさらに備え、
上記各軟磁性材粉末は、その磁化容易軸が、上記軟磁性リング部材における、上記複数の永久磁石のうち相隣合う永久磁石間に対応する部位で、上記回転軸部材の略中心に向かって突出する円弧に沿うように配向された状態で上記樹脂材により接着されていることを特徴とする回転電機のロータ構造。
請求項１又は２記載の回転電機のロータ構造において、
上記各軟磁性材粉末は、長径と短径とを有していて、長径方向が磁化容易軸と一致していることを特徴とする回転電機のロータ構造。