JP2005269840A - 回転電機および回転電機のロータの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 製造が容易であり、加熱による変形を低減することができる回転電機および回転電機のロータの製造方法を提供すること。
【解決手段】 複数の永久磁石１４が装備されたロータコア１２を有するロータ１０と、ロータ１０の外周に配置されたステータ３０とが備わっている。ロータコア１２は、永久磁石１４が挿入される挿入領域１６Ａと、この挿入領域１６Ａの周方向に連通した空隙領域１６Ｂとからなる磁石挿入孔１６と、空隙領域１６Ｂの径方向外側であってロータコア１２の外周面との間に形成された非磁性体領域であるプリッジ部１２Ａとを備えている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、永久磁石が内包された内部永久磁石型のロータを有する回転電機に関する。

従来から、永久磁石を備えたロータに磁性流体を内包するとともに、ロータコアの一部を非磁性体化することによりロータコア内で生じる漏れ磁束を低減した永久磁石界磁方式回転機が知られている（例えば、特許文献１参照。）。この回転機では、永久磁石の着磁方向と垂直な向きに配置されたロータコアを部分的に非磁性体化することにより、この部分を通して発生するロータコア内での漏れ磁束を低減し、ロータとステータとの間で作用する有効磁束量を増加させることによる出力向上を可能としている。
特開平８−３３１７８４号公報（第５−１０頁、図１−１２）

ところで、特許文献１に開示された回転機では、ロータコアの外周部近傍と回転軸付近の内周部近傍の両方に非磁性体化された領域が存在するため、ロータコアに回転軸を挿入した後に非磁性体化の処理を行うことが困難であり、製造が容易でないという問題があった。例えば、薄板を積層させてロータコアを構成する場合には、積層させる前の一枚一枚の薄板の状態で回転軸近傍の部分に対して非磁性体化処理を行うことができるが、所定枚数の薄板を積層させた後にこの部分を非磁性体化することは難しい。したがって、一体化されたロータコアを完成させた後にまとめて非磁性体化処理を行って工程の簡略化を図ることもできないことになる。また、切削や鍛造等の手法によってもともと一体化されたロータコアを製造した場合には、回転軸近傍の部分に対して非磁性体化することが難しいため、このような一体化されたロータコアの採用そのものが困難になる。

また、特許文献１に開示された回転機の中には、ロータコアの外周部近傍のみに非磁性体化された部分を有するものもあるが、この部分の面積が広いため、ロータコア全体が熱応力によって変形しやすくなるという問題があった。

本発明は、このような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、製造が容易であり、加熱による変形を低減することができる回転電機および回転電機のロータの製造方法を提供することにある。

上述した課題を解決するために、本発明の回転電機は、複数の永久磁石が装備されたロータコアを備えたロータと、ロータの外周に配置されたステータとを有しており、ロータコアは、永久磁石が挿入される挿入領域と、この挿入領域の周方向に連通した空隙領域とからなる磁石挿入孔と、空隙領域の径方向外側であってロータコア外周面との間に形成された非磁性体領域とを備えている。永久磁石の挿入領域に隣接させて空隙領域を設けることにより、この空隙領域の径方向外側に配置された非磁性体領域の面積を小さくするとともに、非磁性体領域をロータコアの外周面近傍に形成することにより、非磁性体化処理の工程を簡略化することができ、ロータおよびこれを用いた回転電機の製造が容易となる。また、非磁性体領域の面積を小さくすることで、非磁性体化処理の際の加熱に伴う変形を抑制することが可能となる。

また、上述した非磁性体領域は、周方向に沿った長さよりも径方向長さの方が短い薄肉形状を有することが望ましい。これにより、加熱処理を伴う非磁性体化の工程をさらに簡略化することができ、製造のさらなる容易化を図ることができる。

また、上述した永久磁石は、径方向に沿って着磁されていることが望ましい。径方向に沿って着磁された永久磁石を用い、しかも永久磁石の周方向隣接位置に空隙領域を配置しているため、永久磁石の径方向両端面の間でロータコア内で生じる漏れ磁束をさらに低減することが可能になる。

また、上述したロータコアは、積層された複数の板状部材によって構成されていることが望ましい。板状部材を積層してロータコアを形成する場合であっても、非磁性体領域がロータコア外周面近傍のみに存在するため、板状部材を積層した後に非磁性体領域を形成するための非磁性体化処理を行うことが可能となり、製造のさらなる容易化を図ることができる。

また、本発明の回転電機のロータの製造方法は、複数の永久磁石が挿入される挿入領域とこの挿入領域の周方向に連通した空隙領域とからなる磁石挿入孔とを有するロータコアを磁性体材料を用いて製造する第１の工程と、空隙領域の径方向外側であってロータコア外周面との間の領域を非磁性体化処理する第２の工程とを有している。永久磁石の挿入領域に隣接させて空隙領域を設けることにより、この空隙領域の径方向外側に配置された非磁性体領域の面積を小さくするとともに、非磁性体領域をロータコアの外周面近傍に形成することにより、非磁性体化処理の工程を簡略化することができ、ロータおよびこれを用いた回転電機の製造が容易となる。また、非磁性体領域の面積を小さくすることで、非磁性体化処理の際の加熱に伴う変形を抑制することが可能となる。

また、上述した第１の工程と第２の工程の間に、挿入領域に永久磁石を挿入する第３の工程を有することが望ましい。これにより、永久磁石の挿入を含む各部品の組み付け工程と加熱処理を伴う非磁性体化処理の工程とを分けて行うことが可能になり、工程の簡略化が可能となる。また、永久磁石を挿入した状態において永久磁石に隣接するように空隙領域が配置されているため、非磁性体化処理の際に加わった熱が永久磁石に到達することを抑制することができ、加熱による永久磁石の特性変化（減磁等）を防止することができる。

また、上述した第２の工程において非磁性体化処理される領域は、周方向に沿った長さよりも径方向長さの方が短い薄肉形状を有することが望ましい。これにより、加熱処理を伴う非磁性体化の工程をさらに簡略化することができるとともに、非磁性体領域外への熱の伝搬を最小限に抑えることができる。

以下、本発明を適用した一実施形態の同期電動機としてのＩＰＭ（Interior Permanent Magnet；内部永久磁石型）モータについて、図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、一実施形態のＩＰＭモータの断面図である。図１に示すように、本実施形態のＩＰＭモータは、永久磁石１４が内包されたロータ１０と、このロータ１０の外周に配置されたステータ３０とを備えている。ステータ３０には複数相のコイル（図示せず）が巻装されており、これらのコイルに流す電流の周波数や位相角を制御して回転磁界を発生させることにより、ロータ１０を所定方向に所定回転数で回転させることができる。

ロータ１０は、ロータコア１２、永久磁石１４、回転軸２２を含んで構成されている。図１には、例えば永久磁石１４を３個使用した６極のロータ１０の構成が示されている。ロータコア１２は、回転軸２２を圧入するための貫通孔２２Ａが中心に形成された磁性体材料からなる部材であり、所定枚数の板状部材を積層することにより構成される。積層構造を採用することにより、ロータコア１２の外周表面に発生する渦電流の低減や、製造の容易化を図ることができる。

ロータコア１２には、永久磁石１４を収容して保持するための磁石挿入孔１６が、外周近傍に等間隔に形成されている。各磁石挿入孔１６は、上辺と下辺の長さが高さに対して十分長い等脚台形に近い断面形状を有しており、ロータコア１２の外周近傍であってロータコア１２の中心角が６０°の範囲に対応する領域に設けられている。このような３つの磁石挿入孔１６が、ロータコア１２の外周近傍に等間隔に３箇所、すなわち、ほぼ６０°の間隔を空けて配置されている。

図２は、磁石挿入孔１６の詳細を示す図である。図２に示すように、磁石挿入孔１６は、永久磁石１４が挿入される挿入領域１６Ａと、この挿入領域１６Ａの周方向両側に配置されて挿入領域１６Ａに連通した２つの空隙領域１６Ｂとからなっている。空隙領域１６Ｂのそれぞれは、ロータコア１２の外周面とほぼ平行な面を有しており、これらの面に挟まれた領域（ハッチングが付された領域）がプリッジ部１２Ａを形成している。プリッジ部１２Ａは、周方向に沿った長さよりも径方向長さの方が短い薄肉形状を有する非磁性体領域である。このプリッジ部１２Ａは、磁性体材料によって形成されたロータコア１２の一部をなすが、非磁性体化されている。

永久磁石１４は、３つの磁石挿入孔１６のそれぞれに挿入され、固定される。例えば、永久磁石１４として希土類磁石が用いられ、エポキシ系の接着剤を用いて磁石挿入孔１６内に接着され、固定される。それぞれの永久磁石１４は、径方向に沿って、外形側がＮ極に、内径側がＳ極になるように着磁されている。したがって、磁石挿入孔１６に永久磁石１４が挿入されると、その外形側のロータコア１２がＮ極に磁化され、内径側のロータコア１２およびこれにつながる各磁石挿入孔１６間のロータコア１２がＳ極に磁化される。また、永久磁石１４は断面が長方形形状を有しているため、磁石挿入孔１６の挿入領域１６Ａに挿入したときに周方向に沿った両側に上述した空隙領域１６Ｂが形成される。この空隙領域１６Ｂは、ロータコア１２を通して生じる永久磁石１４のＳ極とＮ極との間の漏れ磁束を減少させるバリアとして作用する。

次に、上述した構造を有する本実施形態のロータ１０を製造する工程について説明する。

まず、オーステナイト系ステンレス鋼板（Ｆｅ７０〜７４ｗｔ％（重量％）、Ｃｒ１８〜２０ｗｔ％、Ｎｉ８〜１０ｗｔ％のＦｅ−Ｃｒ−Ｎｉ系合金）を用いたプレス成形による冷間加工を行うことにより、複数の永久磁石１４が挿入される挿入領域１６Ａとこの挿入領域１６Ａの周方向に連通した空隙領域１６Ｂとからなる磁石挿入孔１６と、回転軸２２を圧入するための貫通孔２２Ａとを有する図１に示す形状の板状部材を形成する。冷間加工を行うことにより、非磁性体結晶構造から強磁性体結晶構造（加工誘起マルテンサイト）に変態させた複数枚の板状部材が形成される。その後、この板状部材を複数枚積層させて積層体を形成する（第１の工程）。

次に、積層体の３つの磁石挿入孔１６のそれぞれに永久磁石１４を挿入する（第３の工程）。挿入された永久磁石１４は、エポキシ系の接着剤等を用いて固定される。

次に、ロータコア１２の外周部であって空隙領域１６Ｂの径方向外側のプリッジ部１２Ａに対して非磁性体化処理を行う（第２の工程）。具体的には、プリッジ部１２Ａに向けてレーザービームの照射、走査を行うことによりプリッジ部１２Ａを変質点（摂氏６００度）以上の温度に加熱する。これにより、オーステナイト系ステンレス鋼は、マルテンサイトから再びオーステナイト系の組織に変態して非磁性体化される。なお、回転軸２２の挿入は、永久磁石１４を挿入領域１６Ａに挿入する前あるいは後に行う場合や、プリッジ部１２Ａに対する非磁性体化処理が終了してから行う場合が考えられる。

図３は、非磁性体化処理されたプリッジ部１２Ａと空隙領域１６Ｂの有無による特性への影響を示す図である。図３において、横軸は、ＩＰＭモータを回転制御する際の位相制御角を、縦軸は出力トルクをそれぞれ示している。特性Ａは、本実施形態のＩＰＭモータの特性を示している。また、特性Ｂは、特性Ａに対応するＩＰＭモータと基本的に同じ構造を有し、プリッジ部１２Ａの非磁性体化処理がなされず、かつ、空隙領域１６Ｂがない従来構造のＩＰＭモータの特性を示している。なお、これらの特性は、有限要素法による解析によって算出したものである。図３から明らかなように、本実施形態の構造を採用することにより、永久磁石１４の周辺で生じる漏れ磁束が低減されて出力トルクの向上を図ることができる。

このように、本実施形態のロータ１０のロータコア１２では、永久磁石１４の挿入領域１６Ａに隣接させて空隙領域１６Ｂを設けることにより、この空隙領域１６Ｂの径方向外側に配置されたプリッジ部１２Ａの面積を小さくするとともに、プリッジ部１２Ａをロータコア１２の外周面近傍に形成することにより、プリッジ部１２Ａの非磁性体化処理の工程を簡略化することができる。これにより、ロータ１０およびこれを用いたＩＰＭモータの製造が容易となる。また、プリッジ部１２Ａの面積を小さくすることで、非磁性体化処理の際の加熱に伴う変形を抑制することが可能となる。

特に、プリッジ部１２Ａは、周方向に沿った長さよりも径方向長さの方が短い薄肉形状に形成されているため、プリッジ部１２Ａに加わった熱が他の部位に伝搬してこの部分の温度が低下することを抑制することができ、少ない熱量で加熱処理を行うことにより非磁性体化の工程をさらに簡略化して、製造のさらなる容易化を図ることができる。

また、径方向に沿って着磁された永久磁石１４を用い、しかも永久磁石１４の周方向隣接位置に空隙領域１６Ｂを配置しているため、永久磁石１４の径方向両端面の間でロータコア１２内で生じる漏れ磁束をさらに低減することが可能になる。

また、本実施形態のロータ１０のように板状部材を積層してロータコア１２を形成する場合であっても、非磁性体領域（プリッジ部１２Ａ）がロータコア１２外周面近傍のみに存在するため、板状部材を積層した後に非磁性体領域を形成するための非磁性体化処理を行うことが可能となり、製造のさらなる容易化を図ることができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変形実施が可能である。例えば、上述した実施形態では、３個の永久磁石１４を備えた６極のロータ１０について説明したが、永久磁石１４の数およびロータ１０の極数はこの数に限定されるものではなく、それ以外であってもよい。

また、永久磁石１４は接着剤を用いて固定したが、接着剤を用いることなく、両端面の軸方向に止め板を用いて固定しても良い。

また、上述した実施形態では、回転電機の一例としてモータを例にとって説明したが、他の回転電機としての発電機に本発明を適用してもよい。

また、上述した実施形態では、板状部材を積層させたロータコア１２を形成したが、一体構造を切削や鍛造等の手法で製造するようにしてもよい。この場合であっても、プリッジ部１２Ａが外周近傍のみに存在するため、加熱処理を伴う非磁性体化処理を行うことが容易となる。また、板状部材を積層させた後にプリッジ部１２Ａの非磁性体化処理を行うのではなく、一枚一枚の板状部材の状態でプリッジ部１２Ａに対して非磁性体化処理を行うようにしてもよい。あるいは、磁石挿入孔１６の挿入領域１６Ａに永久磁石１４を挿入した後にプリッジ部１２Ａの非磁性体化処理を行うのではなく、永久磁石１４を挿入する前にプリッジ部１２Ａに対して非磁性体化処理を行うようにしてもよい。

また、上述した実施形態では、板状部材を用いて冷間加工を行うことにより、非磁性体結晶構造を強磁性体結晶構造に変態させたが、もともと強磁性体材料からなる板状部材を用いるようにしてもよい。また、非磁性体化処理を行う場合の具体例としてレーザービーム照射による加熱処理の例を説明したが、レーザービーム照射以外の方法（誘導加熱等）を用いてプリッジ部１２Ａの温度を変質点以上に上げるようにしてもよい。

また、上述した実施形態では、永久磁石１４に隣接する空隙領域１６Ｂには何も充填しなかったが、樹脂等の非磁性体材料を充填するようにしてもよい。これにより、永久磁石１４の固定を確実にしたり、永久磁石１４やロータコア１２の不要な振動を低減することが可能になる。

一実施形態のＩＰＭモータの断面図である。 磁石挿入孔の詳細を示す図である。 非磁性体化処理されたプリッジ部と空隙領域の有無による特性への影響を示す図である。

符号の説明

１０ ロータ
１２ ロータコア
１２Ａ プリッジ部
１４ 永久磁石
１６ 磁石挿入孔
１６Ａ 挿入領域
１６Ｂ 空隙領域
２２ 回転軸
３０ ステータ

Claims (7)

1. 複数の永久磁石が装備されたロータコアを備えたロータと、前記ロータの外周に配置されたステータとを有する回転電機において、
   前記ロータコアは、
   前記永久磁石が挿入される挿入領域と、この挿入領域の周方向に連通した空隙領域とからなる磁石挿入孔と、
   前記空隙領域の径方向外側であってロータコア外周面との間に形成された非磁性体領域と、
   を備えることを特徴とする回転電機。
2. 請求項１において、
   前記非磁性体領域は、周方向に沿った長さよりも径方向長さの方が短い薄肉形状を有することを特徴とする回転電機。
3. 請求項１または２において、
   前記永久磁石は、径方向に沿って着磁されていることを特徴とする回転電機。
4. 請求項１〜３のいずれかにおいて、
   前記ロータコアは、積層された複数の板状部材によって構成されていることを特徴とする回転電機。
5. 複数の永久磁石が挿入される挿入領域とこの挿入領域の周方向に連通した空隙領域とからなる磁石挿入孔とを有するロータコアを磁性体材料を用いて製造する第１の工程と、
   前記空隙領域の径方向外側であってロータコア外周面との間の領域を非磁性体化処理する第２の工程と、
   を有することを特徴とする回転電機のロータの製造方法。
6. 請求項５において、
   前記第１の工程と前記第２の工程の間に、前記挿入領域に前記永久磁石を挿入する第３の工程を有することを特徴とする回転電機のロータの製造方法。
7. 請求項５または６において、
   前記第２の工程において非磁性体化処理される領域は、周方向に沿った長さよりも径方向長さの方が短い薄肉形状を有することを特徴とする回転電機のロータの製造方法。
   

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