JP2008172965A - 永久磁石回転子及びモータ並びに電気機器 - Google Patents

Abstract

【課題】金属部材とボンド磁石とを一体化しながら製造する射出一体成形において、成形品の割れ発生を防止した永久磁石回転子及び、この永久磁石回転子を搭載した高信頼性、高品質のモータの提供、並びに電気機器を提供することである。
【解決手段】回転の中心軸となる金属シャフト部とその外周部に金型内で磁場配向されながら、射出一体成形される異方性ボンド磁石部とからなる永久磁石回転子において、前記、永久磁石部内のゲートのウェルド層と極間部位置が一致しないことを特徴とする永久磁石回転子。
【選択図】図６

Description

本発明は、永久磁石を搭載した永久磁石モータのロータ構造及びそのロータを内蔵したモータに関する。

ボンド磁石は、フェライト系や希土類系の永久磁石の粉末をゴム、熱可塑性樹脂や熱硬化性樹脂などの結合剤で結着・固化させた複合材料永久磁石である。このボンド磁石は、焼結法により作製された結合剤成分を含まない焼結磁石に比較し、結合剤成分を内在するため磁気特性は低い。しかしながら焼結による収縮がないため、高い寸法精度で環状、円弧状や薄肉形状などの特殊な形状の磁石が割れ欠けなどなく作製できるという特徴を持っている。そのため、リング形状のボンド磁石が、家電、情報用のモータに近年多く用いられている。その中のフェライト系磁石粉末を使用したボンド磁石は、磁石粉末自体が安価であるために、広く使用され、製造工数、部品コストを削減するために、金属部材とボンド磁石とを一体化しながら製造する射出一体成形も多く用いられている。

しかしながら、金属部材とボンド磁石を射出一体成形する場合は、金属部材とボンド磁石との線膨張係数が大きく異なるため、成形品に割れを生じ易いという欠点を有している。これは、ボンド磁石が冷却固化する際に金属部材とボンド磁石の収縮率の違いによりボンド磁石側に大きい内部応力が残留するためである。割れは、成形直後に生じる場合もあるが、経年的な変化を経て、ボンド磁石中の樹脂の劣化が進行した後に現れる場合もあり、機器の致命的な故障に結びつく恐れがある。

この課題に対して、磁石自体の機械的特性を改善する試みとして、磁石材料内に、炭素繊維や、ガラス繊維等の強化剤または、ゴム等の柔軟剤などを添加した発明が特開平９−１０２４０７号公報や、特開平６−２８７４４５号公報に開示されている。また、金属部材とボンド磁石の接触部分に中間層を設け、残留応力を緩和する方法が、特開２００５−１５１７５７号公報に開示されている。
特開平６−２８７４４５号公報 特開平９−１０２４０７号公報 特開２００５−１５１７５７号公報

本発明が解決しようとする問題点は、製造工数、部品コストを削減するために、金属部材とボンド磁石とを一体化しながら製造する射出一体成形において、成形品の割れ発生を防止した永久磁石回転子構造及び、永久磁石回転子を搭載したモータ、並びに電気機器を提供することである。特許文献１または、２のような磁石強度を高めるために、強化繊維を添加するまたは、柔軟性を高めるためにゴム成分を添加するなどすると、磁石の割れ耐力の向上は可能である、しかし、磁石粉末の含有率が高くなると強度、柔軟性は、低くなるため、その改善は不十分なものであった。また、特許文献３のような金属部材とボンド磁石の接触部分に中間層を設け、残留応力を緩和する方法では、中間層が、応力を吸収し、磁石の割れ耐力向上は、可能であるが、中間層材料と工数が増え、射出一体成形の持つ、製造工数削減、部品コスト削減の利点を阻害するものであった。

本発明は、上記従来の課題を解決するものであり射出一体成形における成形品の割れ発生を防止した永久磁石回転子構造、並びに製造方法を、さらには、永久磁石回転子を搭載したモータ、及び電気機器を提供することである。

上記課題を解決するために本発明は、第一の発明として、回転の中心軸となる金属シャフト部とその外周部に金型内で磁場配向されながら、射出一体成形される異方性ボンド磁石部とからなる永久磁石回転子において、前記、永久磁石部内のゲートのウェルド層と極間部位置が一致しないことを特徴とする永久磁石回転子である。

また、第二の発明では、異方性ボンド磁石部のウェルド層の数と極数を同数とし、ゲートを極間部に配置したことを特徴とする永久磁石部を有する請求項１記載の永久磁石回転子である。

さらに、第三の発明では、異方性ボンド磁石部の主成分である磁石粉末が、フェライト粉末または、フェライト粉末とその他の磁石粉末の混合物であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の永久磁石回転子である。

さらにまた、第四の発明では、請求項１から請求項３のいずれかに記載の永久磁石回転子を搭載したことを特徴とするモータである。また、請求項４記載のモータを搭載したことを特徴とする電気機器である。

回転の中心軸となる金属シャフト部とその外周部に金型内で磁場配向されながら、射出一体成形される異方性ボンド磁石部とからなる永久磁石回転子において、前記永久磁石部内のゲートのウェルド層と極間部位置が一致しないことを特徴とする永久磁石回転子とすることにより、隣り合うゲート部から射出されたボンド磁石材料が冷え固まりながら接合する機械的強度の弱いウェルド層部とフェライト磁石粉末の特異な形状により生じる異方化方向とそれと直交する方向との強度差による機械的強度の弱い極間部を一致させずに磁石強度が磁石の充填量とは関係なく向上させることが可能となる。

また、前記異方性ボンド磁石部のウェルド層の数と極数を同数とし、ゲートを極間部に配置したことで、ゲートより射出され、流動するボンド磁石材料が、極間を跨ぐことなく、充填されるため、極間を跨ぐ際の磁石粉末の１８０度反転（Ｎ極とＳ極間をプラマグコンパウンドが移動するときに、一度Ｎ極に磁化されたコンパウンド内の磁石粉末が、１８０°向きを変える）を生じることなく、充填が完了し、磁石粉末の配向乱れを無くした永久磁石回転子を得ることが可能となる。

さらに、前記、異方性ボンド磁石部の主成分である磁石粉末が、フェライト粉末または、フェライト粉末とその他の磁石粉末の混合物であることにより、ウェルド層と極間部位置を一致させないことによる磁石強度向上の効果が大きいものとなる。

さらにまた、前記、永久磁石回転子を搭載したことを特徴とするモータとすることにより、永久磁石の割れというモータロック等の不良のない、高品質、あるいは、磁石粉末配向乱れのない、高特性のモータとすることが可能となる。また、前記、モータを搭載したことを特徴とする電気機器とすることにより、機器の高品質化が可能となる。

回転の中心軸となる金属シャフト部とその外周部に金型内で磁場配向されながら、射出一体成形される異方性ボンド磁石部とからなる永久磁石回転子において、前記、永久磁石部内のゲートのウェルド層と極間部位置が一致しないことを特徴とする永久磁石回転子である。

また、前記、異方性ボンド磁石部のウェルド層の数と極数を同数とし、ゲートを極間部に配置したことを特徴とする永久磁石部を有する永久磁石回転子である。

さらに、前記、異方性ボンド磁石部の主成分である磁石粉末が、フェライト粉末または、フェライト粉末とその他の磁石粉末の混合物であることを特徴とする永久磁石回転子である。

さらにまた、前記、永久磁石回転子を搭載したことを特徴とするモータである。また、前記、モータを搭載したことを特徴とする電気機器である。

以下に実施例を示し、本発明を更に詳細に説明する。

本発明例１として、以下に説明する。（株）メイト製の異方性フェライトコンパウンドを使用し、図１に示すような、Φ８ｍｍのシャフト１とその外周に固定された外径Φ３５ｍｍ、内径Φ８ｍｍ、高さ２２ｍｍのコア２からなる回転軸に、外径Φ５０ｍｍ、内径Φ３５ｍｍ、高さ３０ｍｍの異方性ボンド磁石３を射出一体成形して永久磁石回転子を得る。

この射出一体成形時の要点を、図２を使用し説明する。図２は、本発明の射出一体成形時の概略半上面図である。図中の１〜３は、図１と同じく、シャフト１、コア２、異方性ボンド磁石３である。異方性ボンド磁石の射出一体化は、磁石粉末を異方化するために、配向用磁石４を含む磁場配向金型内で行った。異方性フェライトコンパウンドは、ゲート５から射出され、流動樹脂方向６に流動し、隣り合うゲート５から射出された異方性フェライトコンパウンドが、ウェルド層７で接合し、一体化が完了する。異方性フェライトコンパウンドが冷え固まりながら、接合されるため、ウェルド層の強度は、低下する。

また、配向用磁石の磁力線８を図３に示す。配向用磁石の磁力線８は、Ｎ極から、隣り合うＳ極へと伸びる。この磁力線に従い、異方性フェライトコンパウンド内のフェライト粉末が、配向する。図４にフェライト粉末の形状を示す。フェライト粉末９は、薄い６角柱状であり、磁化容易軸１０は、図中の方向にある。このフェライト粉末９の磁化容易軸１０方向と、図３中の配向用磁石の磁力線の方向は、一致する。従って、フェライト粉末９は、図５フェライト粉末の配向の概略図のように配列する。異方性ボンド磁石の極は、配向磁石の極が転写されため、極間１１は、図中の部分となる。この特異なフェライト粉末９の形状のため、極の中心部分よりも、極間１１の方が、周方向に亀裂が生じ易くなる。この亀裂の生じ易い極間１１と前述した強度の弱いウェルド層７とを同時に図示すると図６のようになる。この図６のように、ウェルド層７と極間１１の位置をずらすことにより、高強度の磁石作製が可能となる。

次に、比較例１として、ゲートを４点として、極間に配置した例を示す。磁石形状は、是前述した形状と同形状で、ゲート点数と位置のみが、異なる。図７にその概略図を示す。ゲート５を極間部分に４点配置すると、ウェルドは、その他の極間１１に４つ生じる。従って、図８に示すようにウェルド層７と極間１１は、一致し、磁石強度の低い磁石が作製される。

次に、本発明例２として、ゲート点数４点で、極の中心に配置した例を図９に示す。この場合は、極の中心にウェルド層が形成されるため、磁石強度が向上する。

次に比較例２として、ゲート点数８点で、極の中心に配置した例を図１０に示す。この場合、極間にウェルド層が形成されるため、磁石強度の低い磁石が作製される。

この本発明例１，２と比較例１，２の強度試験を行った。強度試験は、磁石を回転軸から取り外し、磁石の内側に角度のついた円柱を差込、圧縮試験機で、この円柱を押し込み、内径側から磁石を破壊し、その破壊荷重を測定した。図１１に各条件の破壊荷重を示す。本発明例のウェルド層と極間の位置がずれている磁石は、ウェルド層と極間が一致している磁石に比較し、１７％程度向上した。次に、本発明例１と比較例１において、熱衝撃試験を行い。耐熱衝撃性を確認した。熱衝撃試験は、低温側が−２０℃、高温側が１００℃の各１時間ずつを４００サイクル行い、割れが発生した個数を確認した。その結果を図１２に示す。図中の１ｍｉｎ、３ｍｉｎは、異方性フェライトコンパウンドの射出成形機の加熱筒内に滞留した時間を示す。２９５℃、３０５℃、３１５℃の温度は、ノズルより射出された異方性フェライトコンパウンドの温度を示す。フェライトコンパウンド中の樹脂は、高温に曝されると低分子量部分から分解を始め、磁石の強度を劣化させる。また、暴露時間が長いと分解が進むため、これも強度劣化につながる。この温度と滞留時間を変更したサンプルで本発明の優位性を確認した。本発明例１では、比較例１に比較し、２９５℃、３０５℃の温度では、割れの発生はなく、耐熱衝撃性にも優れることが分かった。

また、前述の各条件における磁石の極角度を測定した。極角度とは、表面磁束の一極分の機械角のことで、本実施例では、８極の磁石を用いているので、３６０°／８＝４５°と一極は、４５°であるのが望ましい。これが、ズレると、磁気的な不良を引き起こすこととなる。前述の各条件の極角度の最大値を図１３に示す。本発明例２のみが、極角度が４５°から大きく乖離した。これは、本発明例２の場合、ゲート部から注入された樹脂が、極間をまたいで移動するため、配向磁石の力で一定方向に配列していた磁石が、極間を移動した後、反転しなければならないが、樹脂の流動中に金型温度により固化してしまい、十分に反転できなかったことによると考えられる。これに対し、本発明例１、比較例１，２は、極間をまたぐことなく成形できるために、極角度はいずれもずれなかった。この配向による乱れは、射出温度、速度等の変更で、軽減は可能であるが、異方性ボンド磁石部のウェルド層の数と極数を同数とし、ゲートを極間部に配置することが望ましい。

さらに、本発明例の永久磁石回転子を搭載したモータとすると信頼性の高いモータとなる。

本発明にかかる電気機器の例として、エアコン室外機、エアコン室内機、給湯機、空気清浄機について説明する。まず、エアコン室内機の構成を、詳細に説明する。図１４において、エアコン室内機２１０の筐体２１１内にはモータ２０１が搭載されている。そのモータ２０１の回転軸にはクロスフローファン２１２が取り付けられている。モータ２０１はモータ駆動装置２１３によって駆動される。モータ駆動装置２１３からの通電により、モータ２０１が回転し、それに伴いクロスフローファン２１２が回転する。そのクロスフローファン２１２の回転により、室内機用熱交換器（図示せず）によって空気調和された空気を室内に送風する。ここで、モータ２０１は、例えば実施例のモータが適用できる。本発明の電気機器は、モータと、そのモータが搭載された筐体とを備え、モータとして上記構成の本発明のモータを採用したものである。これにより、長期信頼性の高い電気機器が提供できる。

次に、本発明にかかる電気機器の例として、エアコン室外機の構成詳細に説明する。

図１５において、エアコン室外機３０１は、筐体３１１の内部にモータ３０８を搭載している。そのモータ３０８は回転軸にファン３１２を取り付けており、送風用ファンモータとして働く。

エアコン室外機３０１は、筐体３１１の底板３０２に立設した仕切り板３０４により、
圧縮機室３０６と熱交換器室３０９とに区画されている。圧縮機室３０６には圧縮機３０５が配設されている。熱交換器室３０９には熱交換器３０７及び前記送風用ファンモータが配設されている。仕切り板３０４の上部には電装品箱３１０が配設されている。

その前記送風用ファンモータは、電装品箱３１０内に収容されたモータ駆動装置３０３により駆動されるモータ３０８の回転に伴い、送風ファン３１２が回転し、熱交換器３０７を通して熱交換器室３０９に送風する。ここで、モータ３０８は例えば、例えば実施例のモータが適用できる。本発明の電気機器は、モータと、そのモータが搭載された筐体とを備え、モータとして上記構成の本発明のモータを採用したものである。これにより、長期信頼性の高い電気機器が提供できる。

次に、本発明にかかる電気機器の例として、給湯機の構成を、詳細に説明する。

図１６において、給湯器３３０の筐体３３１内にはモータ３３３が搭載されている。そのモータ３３３の回転軸にはファン３３２が取り付けられている。モータ３３３はモータ駆動装置３３４によって駆動される。モータ駆動装置３３４からの通電により、モータ３３３が回転し、それに伴いファン３３２が回転する。そのファン３３２の回転により、燃料気化室（図示せず）に対して燃焼に必要な空気を送風する。ここで、モータ３３３は、例えば実施例のモータが適用できる。本発明の電気機器は、モータと、そのモータが搭載された筐体とを備え、モータとして上記構成の本発明のモータを採用したものである。これにより、長期信頼性の高い電気機器が提供できる。

次に、本発明にかかる電気機器の例として、空気清浄機の構成を、詳細に説明する。

図１７において、空気清浄機３４０の筐体３４１内にはモータ３４３が搭載されている。そのモータ３４３の回転軸には空気循環用ファン３４２が取り付けられている。モータ３４３はモータ駆動装置３４４によって駆動される。モータ駆動装置３４４からの通電により、モータ３４３が回転し、それに伴いファン３４２が回転する。そのファン３４２の回転により空気を循環する。ここで、モータ３４３は、例えば実施例のモータが適用できる。本発明の電気機器は、モータと、そのモータが搭載された筐体とを備え、モータとして上記構成の本発明のモータを採用したものである。

上述の説明では、本発明にかかる電気機器の実施例として、エアコン室外機、エアコン室内機、給湯機、空気清浄機などに搭載されるファンモータを取り上げたが、その他のモータにも、また、各種情報機器に搭載されるモータや、産業機器に使用されるモータにも適用できることは言うまでもない。

本発明の永久磁石回転子を搭載したことを特徴とするモータとすることにより、永久磁石の割れに起因するモータロック等の不良のない高品質、及び磁石粉末配向乱れのない、高特性のモータとすることが可能となる。また、前記モータを搭載する事により、高品質化な電気機器を得る事が可能となる。

永久磁石回転子の概略図 本発明１の射出一体成型時の概略上面図 配向用磁石の磁力線を示す図 フェライト粉末の形状を示す図 フェライト粉末配向概略図 本発明例１のウェルド層と極間の位置を示す図 比較例１の射出一体成形時の概略上面図 比較例１のウェルド層と極間の位置を示す図 本発明２のウェルド層と極間の位置を示す図 比較例２のウェルド層と極間の位置を示す図 本発明例と比較例の破壊荷重を示すグラフ 本発明例と比較例の熱衝撃試験による磁石割れ数を示すグラフ 本発明例と比較例の極角度のズレを示すグラフ 本発明の電気機器（エアコン室内機）の構造図 本発明の電気機器（エアコン室外機）の構造図 本発明の電気機器（給湯機）の構造図 本発明の電気機器（空気清浄機）の構造図

符号の説明

１ シャフト
２ コア
３ 異方性ボンド磁石
４ 配向用磁石
５ ゲート
６ 流動樹脂方向
７ ウェルド層
８ 配向用磁石の磁力線
９ フェライト粉末
１０ 磁化容易軸
１１ 極間
２０１ モータ
２１０ エアコン室内機
２１１ 筐体
２１２ クロスフローファン
２１３ モータ駆動装
３０１ エアコン室外機
３０２ 底板
３０３ モータ駆動装置
３０４ 仕切り板
３０５ 圧縮機
３０６ 圧縮機室
３０７ 熱交換器
３０８ モータ
３０９ 熱交換器室
３１０ 電装品箱
３１１ 筐体
３１２ ファン
３３０ 給湯器
３３１ 筐体
３３２ ファン
３３３ モータ
３３４ モータ駆動装置
３４０ 空気清浄機
３４１ 筐体
３４２ ファン
３４３ モータ
３４４ モータ駆動装置

Claims (5)

1. 回転の中心軸となる金属シャフト部とその外周部に金型内で磁場配向されながら、射出一体成形される異方性ボンド磁石部とからなる永久磁石回転子において、前記永久磁石部内のゲートのウェルド層と極間部位置が一致しないことを特徴とする永久磁石回転子。
2. 異方性ボンド磁石部のウェルド層の数と極数を同数とし、ゲートを極間部に配置したことを特徴とする永久磁石部を有する請求項１記載の永久磁石回転子。
3. 異方性ボンド磁石部の主成分の磁石粉末が、フェライト粉末または、フェライト粉末とその他の磁石粉末の混合物であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の永久磁石回転子。
4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の永久磁石回転子を搭載したことを特徴とするモータ。
5. 請求項４記載のモータを搭載したことを特徴とする電気機器。