JP2021097543A - Ｉｐｍモータ - Google Patents

Abstract

【課題】磁気特性に優れたＩＰＭモータを提供すること。【解決手段】複数の円形の鋼板が積層されたロータコアと、前記ロータコアの中心軸方向に貫通したスロットと、前記スロットに収容された永久磁石と、を有するロータと、前記ロータの外周面側に配置されたステータと、を備えるＩＰＭモータにおいて、軟磁性材料からなる金属板を、前記永久磁石の表面のうち磁極を形成する少なくとも一方の表面と、前記スロットの内側面とに当接するように配置させた。【選択図】図４

Description

本発明は、磁石埋込型のＩＰＭ（Ｉｎｔｅｒｉｏｒ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ）モータに関する。より具体的には、ＩＰＭモータのロータに関する。

従来のＩＰＭモータのロータは、複数の円形の鋼板が積層されたロータコアを備えている。ロータコアの軸中心には、回転シャフトが配置され、その周りには、ロータコアの軸方向に貫通したスロットが形成されている。スロットには永久磁石が配置され、永久磁石は、エポキシ樹脂等からなる封止材によりスロット内に埋設されている。

このようなロータの磁気特性を向上させるために、例えば特許文献１においては、永久磁石とスロットのロータコアの軸中心側の内側面の間に、軟磁性材料が充填硬化されてなる磁性体が設けられている。永久磁石とスロットの内側面の間の隙間（エアギャップ）を磁性体によって閉塞することより、隙間に起因する磁気抵抗とこれに起因する出力トルクの低下等を抑制できることが開示されている。

特開２００９−２７３２４０号公報

特許文献１には、軟磁性材料として、ステータコアやロータコア、リアクトルコアを形成するための圧粉磁心、高密度圧粉磁心（ＨＤＭＣ）用の磁性粉末等が開示されているが、このような粉末材料を充填硬化させた場合、材料内部の粒子間に空隙が残存してしまう。かかる空隙は磁気特性の低下を招くため、従来技術においてはロータの磁気特性の向上効果は十分ではなかった。

また、かかる空隙を減少させようとしてスロットを圧縮した場合、スロットが破損する可能性があるため、空隙を減少させることは容易ではない。さらに、永久磁石のうち磁極を形成する表面以外にも粉末材料が侵入し、磁束が発散する可能性がある。

本発明は、上記のような従来技術の問題点に鑑みてなされたものである。より具体的には、本発明は、磁気特性に優れたＩＰＭモータを提供するものである。

本発明の一態様に係るＩＰＭモータは、複数の円形の鋼板が積層されたロータコアと、前記ロータコアの中心軸方向に貫通したスロットと、前記スロットに収容された永久磁石と、を有するロータと、前記ロータの外周面側に配置されたステータと、を備える。軟磁性材料からなる金属板が、前記永久磁石の表面のうち磁極を形成する少なくとも一方の表面と、前記スロットの内側面とに当接するように配置されている、ことを特徴とする。

本発明の一態様に係るＩＰＭモータは、永久磁石の磁極を形成する表面とスロットの内側面の間に軟磁性材料からなる金属板が配置されている。軟磁性材料からなる金属板は、粉末を押し固めた圧粉材料とは異なり、軟磁性材料の原料を圧延等により加工し、板状に成形することによって得られるものであり、金属板の内部に存在する空隙は実質的にゼロに等しい。そのため、永久磁石の磁極を形成する表面とスロットの内側面の間に空隙が発生することを抑制することができる。これにより、永久磁石の磁極から出入りする磁束の流れが阻害されることを効率的に抑制でき、ＩＰＭモータの磁気特性を向上させることができる。

本発明の一態様に係るＩＰＭモータによれば、磁気特性に優れたＩＰＭモータを提供することができる。

本発明の一態様に係るＩＰＭモータのロータを示す斜視図である。 図１に示す永久磁石の斜視図である。 図１に示すロータの軸方向から見た平面図である。 図３のＡ部の拡大断面図である。 図３のＡ部の変形例の拡大断面図である。 本発明の一態様に係るＩＰＭモータを示すロータの軸方向から見た断面図である。 実験例１〜４の結果を表す図である。

本発明の一態様に係るＩＰＭモータを、図面を参照しながら説明する。以下の図面においては、同一又は相当する部分に同一の参照符号を付し、重複する説明は繰り返さないものとする。

図１に示すロータ１は、ＩＰＭモータのロータであり、複数の円形の鋼板１０ａ，１０ａ…が積層され、これらがかしめ等で連結固定されることでロータコア１０が形成されている。ロータコア１０の中心軸には平面視で円形の回転シャフト用のスロット１１が貫通して開設され、このスロット１１に回転シャフト１２が挿入され固定されている。ロータコア１０の外周部には、回転シャフト１２の軸方向に沿って永久磁石１４用のスロット１３，１３…が貫通して開設され、各スロット１３には、永久磁石１４が挿入されている。

ステータコア１０を形成する鋼板１０ａとしては、特に限定されないが、例えば、電磁鋼板、アモルファス系軟磁性材料からなる金属箔、ナノ結晶系軟磁性材料からなる金属箔等が挙げられる。鋼板１０ａの厚みは、例えば０．０１ｍｍ〜０．５ｍｍの範囲内である。

図２に示すように、永久磁石１４は、スロット１３に挿入できるような板状に形成され、端面１４ａ、１４ｂ、幅狭面１４ｃ、１４ｄ、幅広面１４ｅ、１４ｆの６面を有している。永久磁石１４は、例えば幅広面１４ｅ側がＮ極、幅広面１４ｆ側がＳ極に着磁され、幅広面１４ｅ、１４ｆは磁極を形成した表面となっている。永久磁石１４は、幅広面１４ｅ、１４ｆは磁束Ｊ１が通る面であり、幅広面１４ｅと幅広面１４ｆを周回する磁力線（磁界）Ｊ２が形成される。

幅広面１４ｅは、ロータコア１０の外周面１０ｂ側（すなわちステータ側）に向いており、本発明でいう「第１表面」に相当する。また、幅広面１４ｆは、幅広面１４ｅとは反対側に位置し、ロータコア１０の中心軸側に向いており、本発明でいう「第２表面」に相当する。

永久磁石１４としては、希土類金属を含有する磁石が用いられている。希土類磁石としては、ネオジウム磁石、サマリウムコバルト磁石等の永久磁石を用いることが好ましい。なお、永久磁石１４は希土類金属を含有する磁石に限られるものでなく、フェライト磁石、アルニコ磁石等、適宜の磁石を用いてもよい。

図３に示すように、各スロット１３は平面視で矩形であり、隣接する２つのスロット１３，１３が平面視で略Ｖ字状に開設され、永久磁石１４，１４が挿入されて１つの磁界を構成している。ロータコア１０には、全体で１６個のスロット１３，１３…に、１６個の永久磁石１４，１４…が挿入されて、合わせて８つの磁極がロータコア１０の外周部に形成されている。なお、スロットの開設位置はこれに限定されず、例えば特開２０１７−０１１８９１の第２図に開示されているような、隣接する２つのスロットが平面視で略Ｖ字状に開設され、これらのスロットの間にロータコアの周方向に沿うようにスロットが開設された形状等であってもよい。また、スロットの開設形状、開設個数および磁極数もこれに限定されない。

図４に示すように、各永久磁石１４は、各スロット１３に対して小寸法に形成され、挿入しやすい形状となっている。永久磁石１４の幅広面１４ｅ（第１表面）、１４ｆ（第２表面）には、それぞれ軟磁性材料からなる金属板１５がスロット１３の内側面１３ａ、１３ｂと当接するように配置されている。ここでいう当接とは、全面が接触している状態のみならず、一部の面のみが接触している状態も含む。永久磁石１４は、磁極を形成しない幅狭面１４ｃ、１４ｄとスロット１３の内側面との間に挿入された封止材１６によってスロット１３内に固定されている。

軟磁性材料からなる金属板１５としては、特に限定されないが、例えば、電磁鋼板、冷延鋼板、パーマロイからなる金属箔、Ｆｅ−Ｃｏ系材料からなる金属箔、アモルファス系軟磁性材料からなる金属箔、ナノ結晶系軟磁性材料からなる金属箔等が挙げられる。磁気特性向上の観点から、飽和磁束密度および透磁率の大きな材料、例えばナノ結晶系軟磁性材料等が好ましい。軟磁性材料からなる金属板１５は、前述した材料が複数枚積層されたものであってよいし、複数枚に分割されていてもよい。

軟磁性材料からなる金属板１５は、軟磁性材料の原料を圧延等により加工し、板状に成形することによって得られるものであり、金属板の内部に存在する空隙が実質的にゼロである。そのため、軟磁性材料からなる金属板１５の内部に封止材１６が入り込むことはない。なお、実質的にゼロとは、不純物等の不可避成分による微小な空隙を含み得る。

軟磁性材料からなる金属板１５は、永久磁石１４の幅広面１４ｅ（第１表面）および幅広面１４ｆ（第２表面）の両方に配置されていることが好ましいが、これに限定されず、図５（ａ）に示すように幅広面１４ｅ（第１表面）だけに配置されていてもよいし、図５（ｂ）に示すように幅広面１４ｆ（第２表面）だけに配置されていてもよい。軟磁性材料からなる金属板１５が永久磁石１４の幅広面１４ｅ（第１表面）だけに配置されている場合、幅広面１４ｆ（第２表面）はスロット１３の内側面１３ｂと当接していることが磁気特性の観点からは好ましい。同様に、軟磁性材料からなる金属板１５が永久磁石１４の幅広面１４ｆ（第２表面）だけに配置されている場合、幅広面１４ｅ（第１表面）はスロット１３の内側面１３ａと当接していることが磁気特性の観点からは好ましい。

また軟磁性材料からなる金属板１５は、永久磁石１４の幅広面１４ｅ、１４ｆの全面に亘って配置されていることが好ましいが、永久磁石１４の幅広面１４ｅ、１４ｆの一部のみに配置されていても磁気特性を向上させることができる。

軟磁性材料からなる金属板１５の厚みは、永久磁石１４および軟磁性材料からなる金属板１５の合計厚みに対して、好ましくは５〜７０％であるとよい。こうすることにより、永久磁石の使用量を好適に低減することができる。なお、軟磁性材料からなる金属板１５は、永久磁石１４の幅広面１４ｅ（第１表面）および幅広面１４ｆ（第２表面）の両方に配置されていることが好ましい。この場合、軟磁性材料からなる金属板１５の厚みが３５〜６５％であることがより好ましい。ここで、軟磁性材料からなる金属板１５の厚みは、第１表面側と第２表面側の合計の厚みのことである。

封止材１６としては、エポキシ樹脂が用いられているが、これに限られるものでなく、他の樹脂を用いてもよい。

なお、本発明の一態様に係るＩＰＭモータのロータを製造する際は、永久磁石１４および軟磁性材料からなる金属板１５を別々にスロット１３に挿入するのではなく、永久磁石１４の表面に軟磁性材料からなる金属板１５を配置した状態でスロット１３に挿入ことが好ましい。こうすることにより、スロット１３への挿入に伴う永久磁石１４の幅広面１４ｅ（第１表面）または幅広面１４ｆ（第２表面）の破損や、永久磁石１４の表面に絶縁被膜が設けられている場合は、該絶縁被膜の破損等を好適に抑制することができる。永久磁石１４と軟磁性材料からなる金属板１５とを、接着剤等により接着固定してもよい。

図６に示すように、本発明の一態様に係るロータ１を、複数の円形の鋼板２０ａ，２０ａ…が積層され、これらがかしめ等で連結固定されたステータコア２０のティース部にコイル２１が巻回されたステータ２と組み合わせることにより、磁気特性に優れたＩＰＭモータを得ることができる。

以下、本発明に関する実施例を説明するが、本発明をかかる実施例に示すものに限定することを意図したものではない。

≪実験１≫
本発明によって磁気特性が向上することを確かめるために、以下の実施例１および比較例１のロータを用いたＩＰＭモータを作製し、特性評価を行った。

＜実施例１＞
第１表面および第２表面に軟磁性材料からなる金属板（電磁鋼板）を配置した永久磁石（ネオジウム磁石）をロータコアのスロットに挿入し、封止剤（エポキシ樹脂）により固定したロータを作製した。なお、軟磁性材料からなる金属板の厚みは、永久磁石および軟磁性材料からなる金属板の合計厚みに対して、２５％とした（第１表面および第２表面における軟磁性材料からなる金属板の厚みは１２．５％ずつで等分）。

＜比較例１＞
軟磁性材料からなる金属板の代わりに圧粉磁心（空隙率：１０％）を用いたこと以外は実施例１と同様にＩＰＭモータを作製した。

＜評価と結果＞
実施例１および比較例１のＩＰＭ用ロータを用いてモータを作製し、同条件にて最大トルクを測定した結果、実施例１では１７６Ｎ・ｍ、比較例１では１７３Ｎ・ｍとなり、本発明によるＩＰＭモータによって磁気特性が向上することが確認された。
これは以下の理由によると考えられる。軟磁性材料からなる金属板は、粉末を押し固めた圧粉材料とは異なり、軟磁性材料の原料を圧延等により加工し、板状に成形することによって得られるものであり、金属板の内部に存在する空隙は実質的にゼロに等しい。そのため、永久磁石とスロットの内側面の間に空隙が発生することを抑制することができる。これにより、永久磁石の磁極から出入りする磁束の流れが阻害されることを効率的に抑制でき、ＩＰＭモータの磁気特性を向上させることができるためである。

≪実験２≫
永久磁石および軟磁性材料からなる金属板の合計厚みに対する軟磁性材料からなる金属板の最適厚みを求めるために、以下の実験例１〜４のロータを用いたＩＰＭモータを作製し、特性評価を行った。なお、実験例１〜３における永久磁石および軟磁性材料からなる金属板の合計厚みは全て同一である。

＜実験例１＞
第１表面および第２表面に軟磁性材料からなる金属板（電磁鋼板）を配置した永久磁石（ネオジウム磁石）をロータコアのスロットに挿入し、封止剤（エポキシ樹脂）により固定したロータを作製した。なお、軟磁性材料からなる金属板の厚みは、永久磁石および軟磁性材料からなる金属板の合計厚みに対して、５〜９５％とした（軟磁性材料からなる金属板は第１表面と第２表面とで等分）。

＜実験例２＞
第１表面に軟磁性材料からなる金属板（電磁鋼板）を配置した永久磁石（ネオジウム磁石）をロータコアのスロットに挿入し、封止剤（エポキシ樹脂）により固定したロータを作製した。なお、軟磁性材料からなる金属板の厚みは、永久磁石および軟磁性材料からなる金属板の合計厚みに対して、５〜９５％とした。

＜実験例３＞
第２表面に軟磁性材料からなる金属板（電磁鋼板）を配置した永久磁石（ネオジウム磁石）をロータコアのスロットに挿入し、封止剤（エポキシ樹脂）により固定したロータを作製した。なお、軟磁性材料からなる金属板の厚みは、永久磁石および軟磁性材料からなる金属板の合計厚みに対して、５〜９５％とした。

＜実験例４＞
表面に何も配置していない永久磁石（ネオジウム磁石）をロータコアのスロットに挿入し、封止剤（エポキシ樹脂）により固定したロータを作製した。

＜評価と結果＞
図７は、軟磁性材料からなる金属板の割合（永久磁石および軟磁性材料からなる金属板の合計厚みに対する軟磁性材料からなる金属板の厚み）と、同一トルク時における磁石使用量（実験例４比）を表すグラフである。図７に示すように、永久磁石の表面に軟磁性材料からなる金属板を配置していない実験例４と比較して、永久磁石の表面に軟磁性材料からなる金属板を配置している実験例１〜３は、軟磁性材料からなる金属板の割合が５〜７０％において、好適に磁石使用量の低減ができていることが分かった。
これは以下の理由によると考えられる。軟磁性材料からなる金属板は、粉末を押し固めた圧粉材料とは異なり、軟磁性材料の原料を圧延等により加工し、板状に成形することによって得られるものであり、金属板の内部に存在する空隙は実質的にゼロに等しい。そのため、永久磁石とスロットの内側面の間に空隙が発生することを抑制することができる。これにより、永久磁石の磁極から出入りする磁束の流れが阻害されることを効率的に抑制でき、ＩＰＭモータの磁気特性を向上させることができるためである。

なお、永久磁石の第１表面および第２表面の両方に軟磁性材料からなる金属板を配置した実験例１が最も好ましく、軟磁性材料からなる金属板の割合が３５〜６５％において、より好ましいことが分かった。

以上、本発明の一実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。

１ ロータ
１０ ロータコア
１０ａ 鋼板
１１ 回転シャフト用のスロット
１２ 回転シャフト
１３ 永久磁石用のスロット
１４ 永久磁石
１４ｅ 幅広面（第１表面）
１４ｆ 幅広面（第２表面）
１５ 軟磁性材料からなる金属板
１６ 封止材
２ ステータ
２０ ステータコア
２１ コイル

Claims (1)

1. 複数の円形の鋼板が積層されたロータコアと、前記ロータコアの中心軸方向に貫通したスロットと、前記スロットに収容された永久磁石と、を有するロータと、
   前記ロータの外周面側に配置されたステータと、
   を備えるＩＰＭモータであって、
   軟磁性材料からなる金属板が、前記永久磁石の表面のうち磁極を形成する少なくとも一方の表面と、前記スロットの内側面とに当接するように配置されている、
   ことを特徴とするＩＰＭモータ。

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