JP2015109772A - ロータ及びロータの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】永久磁石をロータコアに挿入した電動モータ用のロータにおいて、永久磁石で発生した熱をロータコアへ効率良く伝達する。【解決手段】ロータコア２に設けたスロット３、４に永久磁石５が接着剤７によって固定されたロータ１において、接着剤７は、絶縁性の樹脂材料１１と強磁性材料１０とを含んで構成され、かつ、強磁性材料１０により形成された、永久磁石５からロータコア２へ熱を伝達する熱伝達経路を有する。【選択図】図４

Description

本発明は、電動モータに用いるロータの構造、当該ロータを有する電動モータ、及び当該ロータの製造方法に関する。

電動モータに用いるロータとして、電磁鋼板等の積層体からなるロータコアの円周方向に所定ピッチで複数個形成されたスロットに、永久磁石を挿入したものが知られている。例えば特許文献１には、ロータコアに設けたスロットに接着剤をコーティングした状態の永久磁石が挿入し、接着剤を硬化させて形成したロータが開示されている。

特開２００３−１９９３０３号公報

ところで、上記文献に記載のロータのように接着剤で永久磁石を固定する構成では、永久磁石とロータコアとの接触部がほとんどなく、モータ稼働中に永久磁石で発生した熱は接着剤を介してロータコアへと伝達されることとなる。ところが、接着剤（樹脂材料）はロータコアや永久磁石に比べて熱伝導性が低いので、接着剤で永久磁石を固定する構成は、圧入等のようにロータコアと永久磁石とが接触する構成に比べて、永久磁石の熱がロータコアへ逃げにくい。

そこで本発明では、ロータコアに固定した永久磁石とロータコアとの間の熱伝導性に優れるロータを提供することを目的とする。

本発明のある態様によれば、ロータコアに設けたスロットに永久磁石が接着剤によって固定されたロータにおいて、接着剤が絶縁性の樹脂材料と強磁性材料とを含んで構成され、かつ永久磁石からロータコアへ熱を伝達する熱伝達経路が強磁性材料により形成されたロータが提供される。

上記態様によれば、接着剤中に、永久磁石からロータコアへ熱を伝達する熱伝達経路が強磁性材料により形成されているので、永久磁石で発生した熱をロータコアへ効率良く伝達することができる。

図１は、第１実施形態にかかる電度モータ用ロータの断面図である。 図２は、図１の破線で囲んだ領域Ａの拡大図である。 図３は、着磁前の磁性体に接着剤を塗布した状態を示す図である。 図４（Ａ）は第１実施形態における着磁前の領域Ａを示す図、図４（Ｂ）は第１実施形態における着磁後の領域Ａを示す図である。 図５（Ａ）は第２実施形態における着磁前の領域Ａを示す図、図５（Ｂ）は第２実施形態における着磁後の領域Ａを示す図である。 図６（Ａ）は第３実施形態における着磁前の領域Ａを示す図、図６（Ｂ）は第３実施形態における着磁後の領域Ａを示す図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

（第１実施形態）
図１は、本実施形態に係る永久磁石式電動モータ用ロータ（以下、単に「ロータ」ともいう）のロータシャフトに直交する断面であって、全周の１／８（機械角４５°）を示す。なお、残りの７／８は、図１に示した構成が周方向に繰り返し並べられた構成となっている。

ロータ１は、回転軸であるロータシャフト６とロータコア２と永久磁石５とを有する。

図１に示すように、ロータコア２はロータシャフト６の周囲に設けられる。ロータコア２は多数の電磁鋼板がロータシャフト６の軸方向に積層されて形成される。ロータコア２には、回転軸Ｏ側に凸なＶ字型のスロット３と、ロータコア２の周方向と平行なスロット４とが形成される。

スロット４は、Ｖ字型のスロット３の開いた部分に、ロータコア２の周方向と平行に形成される。

永久磁石５は、ロータコア２のスロット３及びスロット４に固定されており、１つのスロット３には１対の永久磁石５が、１つのスロット４には１つの永久磁石５が、それぞれ後述する接着剤７により固定されている。

接着剤７は、マトリクスとしての樹脂材料１１と添加剤としての強磁性材料１０とを含んで構成されている。樹脂材料１１は、絶縁性を有し接着剤のマトリクスとして機能し得るものであればよく、例えば熱硬化性樹脂、紫外線硬化樹脂等を用いる。強磁性材料１０は、例えば、鉄、コバルト、ニッケル、ケイ素鋼、パーマロイ（permalloy）、センダスト（sendust）、パーメンジュール(permendure)、ソフトフェライト、またはアモルファス磁性合金の少なくとも１つを含んでいればよい。

上記のような構成の接着剤７を、対向するスロット３、４の壁面と永久磁石５との間に介在させる。接着剤７を介在させる部位は、例えば図１に示すように、永久磁石５の、ロータ外周側の面の中央付近及びロータ内周側の面の両端付近の合計３箇所とする。ただし、接着剤７を塗布する場所はこれに限られない。

図２は、図１の破線で囲んだ領域Ａ、つまり、接着剤７を介在させた部分の拡大図である。なお、接着剤７に含まれる強磁性材料１０は省略してある。

上記のように接着剤７を用いて永久磁石５をスロット３、４に固定する構成では、永久磁石５とロータコア２とが直接接触する部分はほとんどない。そして、永久磁石５で発生した熱は、図２に矢印で示したように、永久磁石５から接着剤７を介してロータコア２へ伝達される。

次に、ロータ１の組み立て工程について説明する。

本実施形態では、まず、着磁前の磁性体５Ａに図３に示すように接着剤７を塗布する。なお、着磁前の磁性体５Ａは、後述する着磁工程により永久磁石５になる。

接着剤７は、図１に示したようにスロット３、４の壁面と対向する２つの面の一方の１箇所と、他方の２箇所とに塗布する。各塗布位置とも、接着剤７は磁性体５Ａの長手方向の両端を結ぶよう塗布される。なお、接着剤７を磁性体５Ａではなく、スロット３、４の壁面に塗布するようにしてもよい。接着剤７を塗布したら、磁性体５Ａをスロット３、４にそれぞれ挿入する。

そして、着磁装置により磁場をかけることによって、磁性体５Ａを着磁して永久磁石５にするとともに、強磁性材料１０によって、接着剤７内に永久磁石５からロータコア２へ熱を伝達する熱伝達経路を形成する。なお、着磁は公知の方法で行えばよく、着磁装置は公知の装置を用いる。

着磁が終了したら、接着剤７を硬化させる。硬化工程は、樹脂材料１１が熱硬化型であれば加熱し、赤外線硬化型であれば赤外線を照射する。

次に、磁性体５Ａ及び接着剤７の、着磁工程による変化について説明する。

図４（Ａ）は着磁工程前の領域Ａ、図４（Ｂ）は着磁工程後の領域Ａを示すである。接着剤７には棒状の強磁性材料１０が含まれている。なお、磁性体５Ａ及び永久磁石５には複数の棒磁石が含まれているが、これは磁化の様子を理解し易くするために便宜的に記載したものであって、実際に棒磁石が含まれるわけではない。棒磁石は、網掛けした側がＮ極、反対側がＳ極である。

図４（Ａ）に示すように、磁性材５Ａは磁化されておらず、接着剤７に含まれる強磁性材料１０の向きは不揃いである。

この状態から、着磁器を用いて磁性材５Ａを磁化させて永久磁石５にすると、図４（Ｂ）に示すように棒磁石の向きが揃う。この棒磁石の向きが磁場の向きである。そして、磁性材５Ａが磁化して永久磁石５になると、永久磁石５は金属製のロータコア２に引きつけられて、接着剤７の層が着磁前に比べて薄くなる。

なお、領域Ａ１とは反対側の永久磁石５とスロット４との隙間では、領域Ａで永久磁石５がロータコア２に引きつけられた分、接着剤７の層が着磁前に比べて厚くなる。永久磁石５がスロット３、４の壁面のいずれに引き付けられるかは、磁性体５Ａをスロット３、４に挿入した状態に左右される。

一方、強磁性材料１０は、磁界が印加されることによって長手方向が磁場方向となるように、つまり、永久磁石５とロータコア２との間で最短の磁路となる方向へ回転する。ただし、永久磁石５とロータコア２との間隔が強磁性材料１０の長手方向長さより短いと、一部の強磁性材料１０は永久磁石５とロータコア２とに挟まれて、長手方向が磁場方向と一致するまで回転することができず、磁場方向に対して斜めの状態となる。また、他の一部の強磁性材料１０は、永久磁石５とロータコア２との間に挟まれた状態で、なおも回転しようとすることで折れる。

その結果、図４（Ｂ）に示すように、折れることなく永久磁石５とロータコア２との両方に接触する強磁性材料１０Ａと、折れて長手方向長さが短くなり、長手方向が磁場方向により近づいた強磁性材料１０Ｂとが混在する状態となる。なお、折れた強磁性材料１０Ｂが永久磁石５とロータコア２との両方に接触することもある。

そして、永久磁石５とロータコア２とに接触している強磁性材料１０は、図中に矢印で示したように、永久磁石５からロータコア２への熱伝達経路となる。

また、永久磁石５で発生した熱の一部は、樹脂材料１１を介して折れた強磁性材料１０Ｂの永久磁石５側の端部に伝達され、折れた強磁性材料１０Ｂ内を長手方向に沿ってロータコア２側の端部まで伝達され、再び樹脂材料１１を介してロータコア２に伝達される。この場合も、永久磁石５からロータコア２まで樹脂材料１１のみを介して伝達される場合に比べて熱伝達性は高くなる。つまり、折れた強磁性材料１０Ｂも熱伝達経路として機能することとなる。

上述した熱伝達経路による熱伝達性を高めるためには、強磁性材料１０の長手方向が磁場方向に沿っていることが望ましい。ただし、強磁性材料１０の長手方向と磁場方向とのずれが４５°以下であれば十分に熱伝達性の向上が認められるので、上記ずれが４５°以下の場合を「沿っている」と称する。

次に、上述したロータ１及び組立工程による作用効果について説明する。

本実施形態のロータ１は、図４（Ｂ）に示すように、接着剤７が絶縁性の樹脂材料１１と強磁性材料１０とを含んで構成され、かつ、強磁性材料１０により形成された、永久磁石５からロータコア２へ熱を伝達する熱伝達経路を有する。これにより、接着剤７が樹脂材料１１のみの場合と比べて、永久磁石５からロータコア２への熱伝達性が向上するので、永久磁石５の温度上昇を抑制することができる。さらに、熱伝達経路は強磁性材料１０で形成されているので、透磁率も向上する。

本実施形態の熱伝達経路は、棒状の強磁性材料１０の長手方向が、永久磁石５からロータコア２へ向かう磁場方向に沿って延びるので、モータ運転中に永久磁石５で発生した熱を効率良くロータコア２へ伝達することができる。なお、本実施形態では強磁性材料１０を棒状としたが、これに限られるわけではなく、長手方向を有するものであれよい。例えば板状の部材であっても同様の効果を奏する。

強磁性材料１０は、鉄、コバルト、ニッケル、ケイ素鋼、パーマロイ、パーメンジュール、ソフトフェライト、またはアモルファス磁性合金の少なくとも一つを含む。これらの物質は磁束が通過し易いので、強磁性材料１０として使用することで透磁率を向上させる効果が大きくなる。

上述したロータ１を有する永久磁石式電動モータであれば、稼働中に永久磁石５で発生した熱を効率良くロータコア２へ逃がすことができるので、永久磁石５の温度上昇を抑制することができる。

本実施形態では、着磁前の磁性体５Ａを、絶縁性の樹脂材料１１と強磁性材料１０とを含んで構成される接着剤７をスロット３、４の壁面との間に介在させた状態でスロット３、４内に配置し、着磁する。この着磁工程により、磁性体５Ａを着磁すると同時に、強磁性材料１０を配向させて熱伝達経路を形成し、その後、接着剤７を硬化させる。着磁工程において磁性体５Ａの着磁と強磁性材料１０の配向とを同時に行うので、効率的に熱伝導性及び透磁率を向上させることができる。

さらに、強磁性材料１０を磁場方向に沿うよう配向させるので、添加した強磁性材料１０が効果的に熱伝導性及び透磁率の向上に寄与する。すなわち、強磁性材料１０の添加量を抑制しつつ、熱伝導性及び透磁率の向上を図ることができる。

（第２実施形態）
本実施形態は、基本的には第１実施形態と同様であるが、接着剤７に添加する強磁性材料１０が明確な長手方向を有しない粒状である点で相違する。以下、相違点を中心に説明する。

図５（Ａ）は着磁工程前の領域Ａを、図５（Ｂ）は着磁工程後の領域Ａを、それぞれ示す図である。図５（Ａ）に示すように、着磁前は強磁性材料１０が樹脂材料１１内に散在している。この状態で着磁すると、図５（Ｂ）に示すように、複数の強磁性材料１０が数珠状に繋がって強磁性材料群１０Ｃを形成し、この強磁性材料群１０Ｃが第１実施形態と同様に永久磁石５からロータコア２への熱伝達経路となる。

すなわち、本実施形態の熱伝達経路は、複数の強磁性材料１０が連結することによって形成された強磁性材料群１０Ｃの長手方向が、永久磁石５からロータコア２へ向かう磁場方向に沿うよう配向したものである。これにより、第１実施形態と同様に、熱伝達性及び透磁率の向上を図ることができる。

（第３実施形態）
本実施形態は、基本的には第１実施形態と同様であるが、接着剤７の構造が第１実施形態と異なる。本実施形態の接着剤７は、棒状の強磁性材料１０の他に、強磁性材料１０の長手方向長さと同じまたはそれ以上の直径を有する球状の絶縁性材料１２も含む。絶縁性材料１２としては、例えば、ガラス、セラミック等を用いることができる。

なお、絶縁性材料１２の直径は、永久磁石５とスロット３、４との間隔の設定値に応じて制限される。一般的に、永久磁石５とスロット３、４との間隔は２００μｍ程度に設定されるので、絶縁性材料１２の直径は２００μｍ以下に制限する。

図６（Ａ）は着磁工程前の領域Ａを、図６（Ｂ）は着磁工程後の領域Ａを、それぞれ示す図である。

図６（Ａ）に示すように、着磁前は樹脂材料１１内に強磁性材料１０及び絶縁性材料１２が散在している。この状態で着磁すると、第１実施形態と同様に強磁性材料１０は長手方向が磁場方向となるように回転する。

接着剤７には絶縁性材料１２が含まれているので、永久磁石５とロータコア２との間隔が絶縁性材料１２の直径より短くなることはない。そして、絶縁性材料１２の直径は強磁性材料１０の長手方向長さと同じ又はそれ以上なので、永久磁石５とロータコア２との間に、強磁性材料１０が回転し得るスペースが確保され、強磁性材料１０が折れることを防止できる。したがって、図６（Ｂ）に示すように、強磁性材料１０は長手方向が磁場方向と一致する状態になり易い。すなわち、強磁性材料１０が、永久磁石５とロータコア２とを最短距離で結ぶ熱伝達経路を形成し易くなる。さらに、絶縁性材料１２の直径と強磁性材料１０の長手方向長さとが同じであれば、強磁性材料１０が永久磁石５とロータコア２とに接触した状態となり易い。

以上のように本実施形態では、接着剤７が強磁性材料１０の長手方向の長さと同じ又はそれ以上の直径を有する絶縁性材料１２を含むので、強磁性材料１０が形成する熱伝達経路が短くなる。その結果、熱伝達性をより向上させることができる。

なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。

１ ロータ
２ ロータコア
３ スロット
４ スロット
５ 永久磁石
６ ロータシャフト
７ 接着剤
１０ 強磁性材料
１１ 樹脂材料
１２ 絶縁性材料

Claims (8)

1. ロータコアに設けたスロットに永久磁石が接着剤によって固定されたロータにおいて、
   前記接着剤は、絶縁性の樹脂材料と強磁性材料とを含んで構成され、かつ前記強磁性材料により形成された、前記永久磁石から前記ロータコアへ熱を伝達する熱伝達経路を有することを特徴とするロータ。
2. 請求項１に記載のロータにおいて、
   前記熱伝達経路は、前記永久磁石から前記ロータコアへ向かう磁場方向に沿って延びることを特徴とするロータ。
3. 請求項２に記載のロータにおいて、
   前記熱伝達経路は、棒状または板状の前記強磁性材料の長手方向が、前記永久磁石から前記ロータコアへ向かう磁場方向に沿うように配向したものであることを特徴とするロータ。
4. 請求項２に記載のロータにおいて、
   前記熱伝達経路は、複数の前記強磁性材料が連結することによって形成された強磁性材料群の長手方向が、前記永久磁石から前記ロータコアへ向かう磁場方向に沿うように配向したものであることを特徴とするロータ。
5. 請求項３または４に記載のロータにおいて、
   前記接着剤は、前記長手方向の長さよりも大きい径を有する絶縁性材料をさらに含むことを特徴とするロータ。
6. 請求項１から５のいずれかに記載のロータにおいて、
   前記強磁性材料は、鉄、コバルト、ニッケル、ケイ素鋼、パーマロイ、パーメンジュール、ソフトフェライト、またはアモルファス磁性合金の少なくとも一つを含むことを特徴とするロータ。
7. 請求項１から６のいずれかに記載のロータを有することを特徴とする永久磁石式電動モータ。
8. ロータコアに設けたスロットに永久磁石が接着剤によって固定されたロータの製造方法において、
   着磁前の磁性体を、絶縁性の樹脂材料と強磁性材料とを含んで構成される接着剤を前記スロットの壁面との間に介在させた状態で前記スロット内に配置し、
   磁場をかけることで、前記磁性体を着磁して前記永久磁石にするとともに、前記強磁性材料により前記永久磁石から前記ロータコアへ熱を伝達する熱伝達経路を形成し、
   その後、前記接着剤を硬化させることを特徴とするロータの製造方法。

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