JP2018143012A - ブリッジ部の変形を低減したｉｐｍモータ用回転子 - Google Patents

Abstract

【課題】永久磁石埋め込み型モータの回転子を素材から打抜き加工によって形成しても、ブリッジ部の狭幅部分におけるねじれ変形が低減された永久磁石埋め込み型モータの回転子を提供する。【解決手段】降伏強度７５０Ｎ／ｍｍ２以上、引張強さ９８０Ｎ／ｍｍ２以上の高強度鋼板を素材とし、かつ磁界の強さ８０００Ａ／ｍにおける磁束密度Ｂ８０００の値が１．６５Ｔ以上である高強度鋼板を打抜き加工することにより永久磁石の挿入口を形成する。【選択図】 図４

Description

本発明は主に電気自動車やハイブリッド自動車或いは工作機械などに使用される永久磁石埋め込み型モータの回転子に関する。

一般に永久磁石埋め込み型モータ（以下「ＩＰＭモータ」と記す。）は、誘導電動機モータと比べ、高価な永久磁石を使用するため、コストは高くなるものの、高効率であり、ハイブリッド自動車や電気自動車の駆動用モータや発電用モータ、さらには各種工作機械用のモータとして広く使用されてきている。
ＩＰＭモータの鉄心は固定子と回転子に分けられるが、固定子側には巻線を通じて、交流磁界が直接付与されるため、高効率化のためには、鉄心には高透磁率であることと同時に、体積抵抗率を高めて、鉄損を低減する必要があった。そのため、固定子用の鉄心には、極低炭素鋼にＳｉを添加して軟磁気特性を改善した電磁鋼板が用いられている。

一方、回転子側には、永久磁石が埋め込まれており、鉄心は主にヨークとして磁束密度を高める役割を担っている。固定子側から発生する僅かな交流磁界の影響は受けるもののその影響は限定的であり、磁束密度は高くする必要があるが、鉄損についてはモータの性能には大きな影響を及ぼさない。したがって、鉄心材として鉄損特性に有利な電磁鋼板を使用する必要はなかった。しかし、固定子のみに電磁鋼板を使用すると、電磁鋼板の製品歩留りが低下してモータの製造コストが高くなることもあって、通常は固定子側と全く同じ電磁鋼板を素材として用いていた。

ＩＰＭモータが自動車に搭載される場合、自動車の小型軽量化のニーズからＩＰＭモータそのものも小型化が求められている。その場合、小型化しても従来と同様またはそれ以上のモータ出力（トルク）が得られるように、モータの効率を上げる必要がある。モータの効率を上げるためには、永久磁石の磁束をできるだけ多く固定子に導く方が良い。そのためには、漏れ磁束をできる限り少なくすることが必要で、これを実現するには永久磁石に近接するブリッジ部を狭幅化することが有効である。しかし、ブリッジ部を狭幅化すると、回転子には永久磁石を埋め込んでいるため、回転速度が速くなり過ぎると、永久磁石に働く遠心力によって回転子のブリッジ部近傍が変形し、固定子と接触、最終的にはモータの破損に至るおそれがある。

回転速度の限界は、回転子の形状が同一の場合には、回転子用素材の降伏強度に依存するが、例えば３％程度のＳｉを含有する無方向性電磁鋼板（３５Ａ３００）の場合、磁性焼鈍後の降伏強度は約４００Ｎ／ｍｍ^２ 程度であるため、ブリッジ部の幅は２ｍｍ程度にしているのが現状である。

そのため、特許文献１や２では、回転子の素材として軟質かつ焼入れ性を有する材料を用い、永久磁石の挿入孔が近接したブリッジ部やその近傍部分のみに部分焼入れを施すことによって強度を上昇させる技術が提案されている。

特開２００９−１５３２３０号 特開２００５−３９９６３号

特許文献１や２のようにブリッジ部分やその近傍について、部分焼入れを行うことにより材料強度を高める場合には、部分焼入れで生じる変形を矯正することが必要になってくるが、回転子は薄板の部品を何層も重ねており、矯正工程での時間が非常に長くなって回転子のコストが高くなるという問題が発生する。

また、ブリッジ部は、回転子用素材に永久磁石挿入口を設けるために打抜き加工によって形成されるが、ブリッジ部を狭幅化すると打抜き加工での材料拘束力が低くなるため、ねじれ変形が発生しやすくなる。このようなねじれ変形が発生すると、打抜き加工後にブリッジ部のねじれ変形を平坦にする矯正工程が必要であり、回転子の製造コストが高くなるという問題がある。
本発明の課題は、ＩＰＭモータの回転子において、永久磁石挿入口を打抜き加工した際にブリッジ部のねじれ変形が小さい状態で狭幅化し、かつ回転させた際にブリッジ部の変形を抑制できることで、高価なレアメタルを含有する永久磁石を小型化し、ＩＰＭモータ自体の製造コストを低減することにある。

本発明者らは、降伏強度７５０Ｎ／ｍｍ^２以上、引張強さ９８０Ｎ／ｍｍ^２以上の高強度鋼板であり、かつ磁界の強さが８０００Ａ／ｍの時の磁束密度Ｂ８０００の値が１．６５Ｔ以上の鋼板を回転子の素材として用いることにより、永久磁石挿入口の打抜き加工の際にブリッジ部を小ねじれ変形量で狭幅化でき、回転時のブリッジ部変形の抑制が可能であることを案出した。

回転子素材を高強度鋼板とすることで、永久磁石挿入口を打抜き加工する際のブリッジ部のねじれ変形量が小さいことから、矯正などの追加工程を加える必要がなくなる。また、ブリッジ部を狭幅化することで漏れ磁束も少なくすることができるため、ＩＰＭモータの回転子での永久磁石の有効利用率を高めることができ、これによって永久磁石の小型化が可能となる。

永久磁石１６個を使用する８極回転子の一例 永久磁石挿入口の打抜き加工の一例 ブリッジ部の断面形状の一例 永久磁石挿入口の打抜き加工後のブリッジ部のねじれ角度

以下、本発明の実施の形態について説明する。
図１に、ＩＰＭモータの回転子の形状の一例を部分的に示す。この図は、回転子全体のうち４分の１にあたる部分だけを示している。回転子１は、同じ形状に加工した回転子部品を複数枚積層して構成されている。この形状は、永久磁石２が永久磁石挿入口７に１６個埋設される８極の回転子１であり、ブリッジ部３は回転子１の半径方向のエッジの幅５であり、ブリッジ部４は永久磁石挿入口７間の幅６になる。ブリッジ部３や４の幅５や６は、回転子１が回転することによって永久磁石２による遠心力がブリッジ部３や４に集中することになる。
永久磁石挿入口７は、図２に示すように打抜き加工によって設けられる。打抜き加工は、素材８をダイ９と板押さえ１０とで固定し、パンチ１１を加圧することで行われるが、ブリッジ部３や４の幅５や６が狭いと材料固定領域も狭くなるために、図３に示すようにブリッジ部３や４がねじれやすくなる。図３は、打抜き加工後のブリッジ部４の表面形状を示しており、ねじれ変形が大きい場合にはねじれ角度１２も大きくなる。回転子１を構成する回転子部品に変形が生じていた場合には、積層箇所に隙間が発生して回転子の寸法が設計通りに製造できないことになる。したがって、このねじれ角度１２が大きい場合でも、打抜き加工した回転子１を積層した際に回転子部品間で隙間が発生して規定高さの回転子１を製造することができなくなる。そのため、ブリッジ部３や４の幅５や６を狭くして磁束漏れを小さくできるが、回転子１としての設計基準を満足することはできない。したがって、ねじれ角度１２を小さくすることは、回転子の品質において重要な因子である。

本発明の降伏強度７５０Ｎ／ｍｍ^２以上、引張強さ９８０Ｎ／ｍｍ^２以上の高強度鋼板を用いた場合のブリッジ部３や４のねじれ角度１２は、実施例にて具体的に言及するが、従来の電磁鋼板と比べて降伏強度が高いためにブリッジ部３や４の幅５や６を狭くしても変形しにくくなり、これによって回転子としての品質や設計の基準を満たす製品とすることができる。

図１に示した永久磁石２が永久磁石挿入口７に１６個埋設される８極の回転子１に対して、エッジ側のブリッジ部３の幅５と永久磁石挿入口７間のブリッジ部４の幅６を、０．２５ｍｍ、０．５ｍｍ、１．０ｍｍと変化させて、図２に示した打抜き加工を実施して回転子部品を製造した。ブリッジ部４を打抜き加工する場合は、変形がより大きくなりやすくなる永久磁石挿入口７を１口ずつ打抜く形式で行った。打抜き加工する材料は、何れも板厚が０．５ｍｍであり、降伏強度が１２００Ｎ／ｍｍ^２の高強度鋼板と、比較として降伏強度が４００Ｎ／ｍｍ^２の電磁鋼板について行った。
打抜き加工した後のブリッジ部３と４のねじれ角度１２は、ブリッジ部３と４でほぼ同じレベルであったので、結果は図４に示すようにブリッジ部３について説明する。図４に示したように、ねじれ角度１２はブリッジ部３の幅５が狭くなると大きくなるが、そのレベルは高強度鋼鈑の方が小さく、電磁鋼板の約半分までに抑えることが可能となった。つまり、回転子１に高強度鋼板を用いれば、積層した際の隙間を小さくでき、寸法精度の良好な回転子に仕上げることができる。

本発明にかかる回転子は、ＩＰＭモータ用の回転子として使用するのに好適である。

１ 回転子
２ 永久磁石
３、４ ブリッジ部
５、６ ブリッジ部の幅
７ 永久磁石挿入口
８ 素材
９ ダイ
１０ 板押さえ
１１ パンチ
１２ ねじれ角度

Claims (2)

1. 降伏強度７５０Ｎ／ｍｍ^２以上、引張強さ９８０Ｎ／ｍｍ^２以上の高強度鋼板を素材とし、
   この素材を打抜き加工して永久磁石の挿入口を形成したことを特徴とする、
   永久磁石埋め込み型モータの回転子。
2. 前記高強度鋼板は、磁界の強さ８０００Ａ／ｍにおける磁束密度Ｂ８０００の値が１．６５Ｔ以上であることを特徴とする、
   請求項１に記載の永久磁石埋め込み型モータの回転子。