JP2019221127A - 磁石埋込型モータおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】モータの強度を高めつつ、モータの出力を向上することができる磁石埋込型モータを提供する。【解決手段】磁石埋込型のモータ１のロータ３は、軟磁性材料からなる複数の金属箔３０ａを、ロータ３の回転軸方向に沿って積層したロータコア３０を備えている。ロータコア３０には、回転軸方向に沿って貫通した複数の貫通孔３２Ａ，３２Ｂが形成され、複数の貫通孔３２Ａ，３２Ｂは、磁石５が埋設された貫通孔３２Ａを有している。ロータコア３０には、内部ブリッジ部３６と、外周ブリッジ部３８と、が形成され、ロータコア３０のうち、内部ブリッジ部３６または外周ブリッジ部３８の少なくとも一方のブリッジ部は、アモルファス系軟磁性材料からなり、それ以外の部分は、ナノ結晶系軟磁性材料からなる。【選択図】図２

Description

本発明は、コイルが巻回されたステータと、ステータに対して回転軸周りに回転自在に設けられたロータと、を備えた磁石埋込型モータおよびその製造方法に関する。

従来から、コイルが巻回されたステータと、ステータに対して回転軸周りに回転自在に設けられたロータと、を備えたモータが利用されている。これらのモータのうち、磁石埋込型モータ（ＩＰＭ）は、回転シャフトが挿通されたロータコアを備えており、ロータコアには軸方向に沿って貫通した貫通孔が設けられている。これらの貫通孔には、磁石が配置され、エポキシ系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（例えば特許文献１参照）。

上述したロータコアに、貫通孔を設けた場合、ロータコアには、隣接する貫通孔同士の間に延在する内部ブリッジ部と、ロータの外周面側に位置する貫通孔とロータの外周面との間に位置する外周ブリッジ部とが、形成されている。このような内部ブリッジ部と外周ブリッジ部は、他の部分に比べて機械的強度が低い。そこで、これらのブリッジ部（内部ブリッジ部および外周ブリッジ部）を塑性変形するように押圧加工することにより、これらのブリッジ部を加工硬化させている（例えば特許文献２参照)。

特開２０１７−１４７８１０号公報 特開２０１５−２７１５０号公報

ところで、上述したロータコアの貫通孔は、埋設された磁石からの磁束が、ブリッジ部に過度に流れることが低減され、主にブリッジ部を除く部分で、磁石からの磁束がステータに向かって流れるように形成されている。これにより、モータの出力特性を高めることができる。

しかしながら、特許文献２のように、ブリッジ部を加工硬化させた場合、確かに、ブリッジ部の機械的強度は増加するが、ブリッジ部を流れる磁気特性は、その他の部分と変わらないため、モータの出力特性をさらに高めることが難しい。これに加え、ブリッジ部を塑性変形させるため、製造段階で、ブリッジ部が損傷するおそれがある。

本発明は、このような点を鑑みてなされたものであり、モータの強度を高めつつ、モータの出力を向上することができる磁石埋込型モータと、これを安定して製造することができる製造方法を提供することにある。

前記課題を鑑みて、本発明に係る磁石埋込型モータ（以下、「モータ」という）は、コイルが巻回されたステータと、前記ステータの内側に回転自在に配置されたロータと、を備えた磁石埋込型モータであって、前記ロータは、軟磁性材料からなる複数の金属箔を、前記ロータの回転軸方向に沿って積層したロータコアを備えており、前記ロータコアには、前記回転軸方向に沿って貫通した複数の貫通孔が形成され、前記複数の貫通孔は、磁石が埋設された貫通孔を有しており、前記ロータコアには、隣接する前記貫通孔同士の間に延在する内部ブリッジ部と、前記ロータコアの外周面側に位置する前記貫通孔と前記ロータコアの外周面との間に位置する外周ブリッジ部と、が形成されており、前記ロータコアのうち、前記内部ブリッジ部または前記外周ブリッジ部の少なくとも一方のブリッジ部は、アモルファス系軟磁性材料からなり、それ以外の部分は、ナノ結晶系軟磁性材料からなることを特徴とする。

本発明によれば、ロータコアのブリッジ部は、他の部分に比べて構造的な強度が低いところ、ナノ結晶系軟磁性材料よりも材料の強度が高いアモルファス系軟磁性材料からなるので、ブリッジ部の強度を高めることができる。これにより、ロータを高速回転させた際に、ブリッジ部の損傷が抑制され、ロータの耐久性が向上する。さらに、ナノ結晶系軟磁性材料に比べて、アモルファス系軟磁性材料の方が、飽和磁化が低いので、ブリッジ部を除く部分で、磁石からの磁束がステータに向かって流れ易いため、モータの出力特性を高めることができる。

ここで、内部ブリッジ部または外周ブリッジ部の少なくとも一方のブリッジ部が、アモルファス系軟磁性材料であればよいが、より好ましい態様としては、前記外周ブリッジ部が、アモルファス系軟磁性材料からなる。すなわち、この態様では、外周ブリッジ部が、アモルファス系軟磁性材料であれば、内部ブリッジ部は、アモルファス系軟磁性材料またはナノ結晶系軟磁性材料のいずれであってもよい。

モータを駆動した際には、コイルが巻回されたステータが発熱し、この発熱した熱により、ロータ（具体的にはロータコア）の外周面も加熱される。この態様によれば、外周ブリッジ部は、アモルファス系軟磁性材料であり、アモルファス系軟磁性材料は、ナノ結晶系軟磁性材料に比べて温度上昇に伴い飽和磁束密度が大きく低下する材料である。したがって、モータを駆動することにより、ロータコアの外周面が高温域まで昇温されたとしても、外周ブリッジ部を介して磁束が流れることが制限され、外周ブリッジ部を除く部分で、磁束がステータに向かって流れ易い。このような結果、モータのロータコアが高温域に到達しても、モータの出力が低下することを抑えることができる。

本発明に係るモータの製造方法は、コイルが巻回されたステータと、前記ステータの内側に回転自在に配置されたロータと、を備えた磁石埋込型モータの製造方法であって、アモルファス系軟磁性材料からなり、前記ロータのロータコアの形状に応じた金属箔であって、磁石を埋設するための貫通孔を含む複数の貫通孔が形成された金属箔を準備する工程と、準備した前記金属箔に対して、隣接する前記貫通孔同士の間に延在する内部ブリッジ部と、金属箔の外周側に位置する前記貫通孔と金属箔の外周との間に位置する外周ブリッジ部と、の少なくとも一方のブリッジ部を選択し、選択した前記ブリッジ部を除く部分を加熱して、前記選択したブリッジ部を前記アモルファス系軟磁性材料に維持しつつ、前記加熱した部分を前記アモルファス系軟磁性材料からナノ結晶系軟磁性材料に変質させる工程と、変質させた金属箔を、前記ロータの回転軸方向に沿って積層し、前記貫通孔に磁石を埋設し、前記ロータコアを製造する工程と、を含むことを特徴とする。

本発明によれば、得られたロータコアのブリッジ部は、構造的に脆弱であるところ、ブリッジ部を、ナノ結晶系軟磁性材料よりも材料の強度が高いアモルファス系軟磁性材料に維持するので、ブリッジ部の強度を高めることができる。また、局所的な加熱により、ブリッジ部以外の部分をナノ結晶系軟磁性材料に変質させるため、ブリッジ部を塑性変形させることなく、簡単にその強度を高めることができる。このようにブリッジ部の強度を高めることができるため、その後、金属箔を積層する際、磁石を埋設する際に、磁石の接触によるブリッジ部の変形等を回避することができる。

また、ブリッジ部の強度が向上することにより、得られたロータを高速回転させたとしても、ブリッジ部の損傷が抑制され、ロータの耐久性が向上する。さらに、ナノ結晶系軟磁性材料に比べて、アモルファス系軟磁性材料の方が、飽和磁化が低いので、ブリッジ部を除く部分で、磁石からの磁束がステータに向かって流れ易いため、モータの出力特性を高めることができる。

ここで、前記加熱した部分をアモルファス系軟磁性材料からナノ結晶系軟磁性材料に変質させる工程において、選択したブリッジ部をアモルファス系軟磁性材料に維持することができるのであれば、内部ブリッジ部または外周ブリッジ部のいずれのブリッジ部を選択してもよい。しかしながら、より好ましい態様としては、前記変質させる工程において、前記選択したブリッジ部が、前記外周ブリッジ部である。すなわち、この態様では、変質工程において、外周ブリッジ部をアモルファス系軟磁性材料のままとし、ナノ結晶系軟磁性材料に変質させない。

モータを駆動した際には、コイルが巻回されたステータが発熱し、この発熱した熱により、ロータ（具体的にはロータコア）の外周面も加熱される。この態様によれば、製造されたモータのロータコアの外周ブリッジ部は、アモルファス系軟磁性材料であり、アモルファス系軟磁性材料は、ナノ結晶系軟磁性材料に比べて温度上昇に伴い飽和磁束密度が大きく低下する材料である。したがって、モータを駆動することにより、ロータコアの外周面が高温域まで昇温されたとしても、外周ブリッジ部を介して磁束が流れることを制限し、外周ブリッジ部を除く部分で、磁束がステータに向かって流れ易い。このような結果、モータのロータコアが高温域に到達しても、モータの出力が低下することを抑えることができる。

本発明に係るにモータによれば、モータの強度を高めつつ、モータの出力を向上することができる。また、本発明に係るにモータの製造方法によれば、このような特性を有したモータを簡単に製造することができる。

実施形態に係る埋込磁石型モータを示す平面図である。 図１に示す埋込磁石型モータの１／８モデルを示す拡大平面図である。 図１に示すロータの模式的斜視図である。 図１に示す埋込磁石型モータの製造方法を説明するための模式的斜視図である。 図１に示す埋込磁石型モータの製造方法を説明するための模式的斜視図である。 実施例１，２および比較例１，２のモデルに係る埋込磁石型モータの最大トルクの結果を示したグラフである。 実施例４および比較例３，４のモデルに係る埋込磁石型モータにおいて、２３℃、１６０℃のときのモータの最大トルクの結果を示したグラフである。 ２３℃、１６０℃におけるナノ結晶系軟磁性材料およびアモルファス系軟磁性材料の飽和磁束密度を示したグラフである。 ２３℃、１６０℃における磁石の残留磁束密度を示したグラフである。

以下、図面を参照して本発明に係る埋込磁石型モータおよびその製造方法を説明する。

１．埋込磁石型モータ１について
図１は、実施形態に係る埋込磁石型モータ（ＩＰＭ：Interior Permanent Magnet）１を示す平面図であり、図２は、図１に示す埋込磁石型モータ１の１／８モデルを示す拡大平面図である。図３は、図１に示すロータ３の模式的斜視図である。

埋込磁石型モータ（以下、モータという）１は、例えばハイブリッド自動車や電気自動車の駆動源として用いられものでありコイル７が巻回されたステータ２と、ステータ２の内側に回転自在に配置されたロータ３と、を備えている。

ステータ２は、電磁鋼板または後述するナノ結晶系軟磁性材料からなる円環状に形成されたステータ鉄心６と、ステータ鉄心６に巻回された複数のコイル７とから構成されている。コイル７は、集中巻または分布巻などによりステータ２の内周側で等間隔に配置され、コイル７が通電されるとロータ３を回転させるための回転磁界が生じる。

ロータ３は、ロータコア３０と、ロータコア３０の中央に形成された軸孔３１に挿通される回転シャフト４と、ロータコア３０に形成された複数の貫通孔３２Ａに埋設された複数の磁石５（５Ｌ，５Ｍ，５Ｒ）と、を備えている。回転シャフト４は、金属製であり、ロータコア３０の軸孔３１に挿通された状態で、かしめ等によりロータコア３０に固定されている。

各磁石５は、永久磁石であり、直方体状を呈している。磁石５の側面は、長辺と短辺とを有する矩形状である。図１に示すように、磁石５は、ロータ３の回転方向（図１に示す矢印方向）に沿って所定の規則で配置されている。具体的には、図２に示すように、ロータ３の回転方向に沿って４５°毎に、左磁石５Ｌ、中磁石５Ｍ、及び右磁石５Ｒとからなる磁石組１０が配置されている。各磁石５は、左磁石５Ｌ、中磁石５Ｍ及び右磁石５Ｒのいずれかに該当する。また、中磁石５Ｍの両側に配置された左磁石５Ｌと右磁石５Ｒとは、磁石５に対して、説明の便宜上、図示した位置を示すものであり、中磁石５Ｍに対して、一方側および他方側に、磁石５が配置されていればよい。

また、磁石組１０のうち、中磁石５Ｍのステータ２に隣接する側がＮ極、その反対側がＳ極である。そして、左磁石５Ｌ及び右磁石５Ｒは、中磁石５Ｍと隣接する磁極との間で極性が互いに逆になるようにそれぞれ配置されている。すなわち、左磁石５Ｌは、中磁石５ＭのＮ極よりもＳ極に近いため、その中磁石５Ｍに隣接する側がＮ極になっている。同様に、右磁石５Ｒは、中磁石５ＭのＮ極よりもＳ極に近いため、その中磁石５Ｍに隣接する側もＮ極になっている。

磁石５は、ロータコア３０に設けられた貫通孔（磁石スロット）３２Ａの内部に嵌め込まれ、その左右両端に樹脂１１が充填されている。樹脂１１としては、成形性と耐熱性に優れた熱硬化性樹脂が用いられる。熱硬化性樹脂としては、エポキシ系樹脂、ポリイミド系樹脂等を用いることができる。なお、磁石５には、ネオジムと鉄とホウ素を主成分とするネオジム磁石、サマリウムとコバルトを主成分とするサマリウムコバルト磁石等の希土類磁石が用いられる。これ以外にフェライト磁石、アルニコ磁石等を用いてもよい。

ロータコア３０は、軟磁性材料からなる複数の金属箔３０ａが、ロータ３の回転軸方向に沿って積層されたものである。金属箔３０ａの間には、耐熱性樹脂などの接着層を配置してもよく、積層状態を維持することができるのであれば、接着層を配置しなくてもよい。耐熱性樹脂としては、例えば、熱硬化性樹脂を用いることができ、熱硬化性樹脂としては、例えば、エポキシ系樹脂、ポリイミド系樹脂、ポリアミドイミド系樹脂又はアクリル系樹脂などが挙げられる。

ロータコア３０には、ロータ３の回転軸方向に沿って貫通した複数の貫通孔３２Ａ，３２Ｂが形成されている。貫通孔３２Ａは、上述した磁石５が埋設される孔であり、貫通孔３２Ｂは、磁束経路遮断用または磁束経路の調整用の孔である。

本実施形態では、ロータコア３０には、隣接する貫通孔３２Ａ，３２Ｂ同士の間に延在する内部ブリッジ部３６と、ロータコア３０の外周面３９側に位置する貫通孔３２Ａ（３２Ｂ）とロータコア３０の外周面３９との間に位置する外周ブリッジ部３８と、が形成されている。

ロータコア３０のうち、内部ブリッジ部３６および外周ブリッジ部３８の双方のブリッジ部は、アモルファス系軟磁性材料からなり、ブリッジ部以外の部分は、ナノ結晶系軟磁性材料からなる。

アモルファス系軟磁性材料又はナノ結晶系軟磁性材料としては、例えば、Ｆｅ、Ｃｏ及びＮｉからなる群から選択される少なくとも１種の磁性金属と、Ｂ、Ｃ、Ｐ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ及びＷからなる群から選択される少なくとも１種の非磁性金属とから構成されるものが挙げられるが、これらに限定されるものではない。

アモルファス系軟磁性材料又はナノ結晶系軟磁性材料の代表的な材料として、例えば、ＦｅＣｏ系合金（例えばＦｅＣｏ、ＦｅＣｏＶなど）、ＦｅＮｉ系合金（例えばＦｅＮｉ、ＦｅＮｉＭｏ、ＦｅＮｉＣｒ、ＦｅＮｉＳｉなど）、ＦｅＡｌ系合金又はＦｅＳｉ系合金（例えばＦｅＡｌ、ＦｅＡｌＳｉ、ＦｅＡｌＳｉＣｒ、ＦｅＡｌＳｉＴｉＲｕ、ＦｅＡｌＯなど）、ＦｅＴａ系合金（例えばＦｅＴａ、ＦｅＴａＣ、ＦｅＴａＮなど）及びＦｅＺｒ系合金（例えばＦｅＺｒＮなど）を挙げることができるが、これらに限定されるものではない。Ｆｅ系合金の場合にはＦｅは８０ａｔ％以上含まれることが好ましい。

また、アモルファス系軟磁性材料又はナノ結晶系軟磁性材料の他の材料として、例えば、Ｃｏと、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｔｉ及びＹのうち少なくとも１種とを含有するＣｏ合金を用いることができる。Ｃｏ合金中Ｃｏは８０ａｔ％以上含まれることが好ましい。このようなＣｏ合金は、製膜した場合にアモルファスとなり易く、結晶磁気異方性、結晶欠陥及び粒界が少ないため、非常に優れた軟磁性を示す。好適なアモルファス系軟磁性材料としては、例えばＣｏＺｒ、ＣｏＺｒＮｂ、及びＣｏＺｒＴａ系合金などを挙げることができる。

本明細書でいうアモルファス系軟磁性材料は、主構造としてアモルファス構造を有する軟磁性材料である。アモルファス構造の場合には、Ｘ線回折パターンには明瞭なピークは見られず、ブロードなハローパターンのみが観測される。一方、アモルファス構造に熱処理を加えることでナノ結晶構造を形成することができるが、ナノ結晶構造を有するナノ結晶系軟磁性材料では、結晶面の格子間隔に対応する位置に回折ピークが観測される。その回折ピークの幅からＳｃｈｅｒｒｅｒの式を用いて結晶子径を算出することができる。

本明細書でいうナノ結晶系軟磁性材料では、ナノ結晶とは、Ｘ線回折の回折ピークの半値幅からＳｃｈｅｒｒｅｒの式で算出される結晶子径が１μｍ未満のものをいう。本実施形態において、ナノ結晶の結晶子径（Ｘ線回折の回折ピークの半値幅からＳｃｈｅｒｒｅｒの式で算出される結晶子径）は、好ましくは１００ｎｍ以下であり、より好ましくは５０ｎｍ以下である。また、ナノ結晶の結晶子径は、好ましくは５ｎｍ以上である。ナノ結晶の結晶子径がこのような大きさであることで、軟磁気特性の向上が見られる。なお、従来の電磁鋼板の結晶子径は、μｍオーダーであり、一般的には、５０μｍ以上である。

ここで、後述する参考例からも明らかなように、アモルファス系軟磁性材料の引張強度は、ナノ結晶系軟磁性材料のものよりも高い。さらに、アモルファス系軟磁性材料の飽和磁化は、ナノ結晶系軟磁性材料のものよりも低い。

このように、ロータコア３０のブリッジ部である内部ブリッジ部３６と外周ブリッジ部３８は、構造的に強度が低い。しかしながら、本実施形態では、このブリッジ部が、ナノ結晶系軟磁性材料よりも材料の強度が高いアモルファス系軟磁性材料からなるので、ブリッジ部の強度を高めることができる。これにより、ロータを高速回転させた際に、ブリッジ部の損傷が抑制され、ロータの耐久性が向上する。

さらに、ナノ結晶系軟磁性材料に比べて、アモルファス系軟磁性材料の方が、飽和磁化が低いので、ブリッジ部を除く部分で、磁石からの磁束がステータに向かって流れ易いため、モータ１の出力特性を高めることができる。

ここで、後述する発明者の実施例からも明らかなように、モータ１を駆動した際には、コイル７が巻回されたステータ２が発熱し、この発熱した熱により、ロータ３（具体的にはロータコア３０）の外周面も加熱される。このような場合、通常のモータでは、出力が大幅に低下することがある。

このような点を鑑みると、外周ブリッジ部３８が、アモルファス系軟磁性材料からなることが好ましい。すなわち、外周ブリッジ部３８が、アモルファス系軟磁性材料であれば、内部ブリッジ部３６は、アモルファス系軟磁性材料またはナノ結晶系軟磁性材料のいずれであってよい。

アモルファス系軟磁性材料は、ナノ結晶系軟磁性材料に比べて温度上昇に伴い飽和磁束密度が大きく低下する材料である。したがって、モータ１を駆動することにより、ロータコア３０の外周面が高温域まで昇温されたとしても、アモルファス系軟磁性材料の外周ブリッジ部３８を介して磁束が流れることが制限される。一方、外周ブリッジ部３８を除く部分で、磁束がステータ２に向かって流れ易い。このような結果、モータ１のロータコア３０が高温域に到達しても、モータ１の出力が低下することを抑えることができる。

２．モータ１の製造方法について
２−１．金属箔を準備する工程について
まず、ロータ３のロータコア３０を構成する金属箔３０ａを準備する。金属箔３０ａは、アモルファス系軟磁性材料からなる。金属箔３０ａは、ロータ３の回転軸と直交する断面において、ロータコア３０の形状に応じた形状を有している。具体的には、金属箔３０ａは、円形状であり、磁石５を埋設するための貫通孔３２ａを含む複数の貫通孔３２ａ，３２ｂが形成されている。

アモルファス系軟磁性材料は、例えば、上に示した組成となるように配合された金属原料を高周波溶解炉などにより高温で溶融して均一な溶湯とし、これを急冷して得ることができる。急冷速度は、材料にもよるが、例えば約１０^６℃／ｓｅｃであり、結晶化する前に、アモルファス構造を得ることができれば、その急冷速度は特に限定されない。本実施形態では、金属箔３０ａは、回転する冷却ロールに金属原料の溶湯を吹きつけることでアモルファス系軟磁性材料からなる帯状の金属箔を製造し、これを、ロータコア３０の形状に応じた形状にプレス成形することにより得ることができる。このように、溶湯を急冷することにより、結晶化する前に、アモルファス構造の軟磁性材料を得ることができる。金属箔３０ａの厚みは、例えば５〜５０μｍであることが好ましく、より好ましくは１５〜３５μｍである。

このようして、図４に示すように、円形状の金属箔３０ａに、複数の貫通孔３２ａ，３２ｂが形成される。貫通孔３２ａは、金属箔３０ａの積層後、貫通孔３２Ａに形成され、磁石５を埋設するための孔となり、貫通孔３２ｂは、金属箔３０ａの積層後、貫通孔３２Ｂに形成され、磁束経路遮断用または磁束経路の調整用の孔として機能する。これにより、金属箔３０ａには、隣接する貫通孔３２ａ，３２ｂ同士の間に延在する内部ブリッジ部３６ａが形成される。さらに、金属箔３０ａには、金属箔３０ａの外周３９ａ側に位置する貫通孔３２ａ（３２ｂ）と、金属箔３０ａの外周３９ａとの間に位置する外周ブリッジ部３８ａが形成される。

２−２．熱処理工程（変質工程）について
次に、熱処理工程を行う。この工程では、金属箔３０ａに対して、内部ブリッジ部３６ａと、外周ブリッジ部３８ａの両方のブリッジ部を選択し、選択した両方のブリッジ部を除く部分を加熱する。この際、選択したブリッジ部をアモルファス系軟磁性材料に維持しつつ、加熱した部分（ブリッジ部を除く部分）をアモルファス系軟磁性材料からナノ結晶系軟磁性材料に変質させる。具体的には、加熱した部分の軟磁性材料のアモルファス構造を、ナノ結晶構造にする。

具体的には、図４に示すように、金属箔３０ａを、上型５１および下型５２からなる一対の金型５０により熱圧する。上型５１および下型５２には、加熱装置（図示せず）が内蔵されている。上型５１および下型５２の金属箔３０ａと接触する表面には、熱圧した際に、内部ブリッジ部３６ａと、外周ブリッジ部３８ａとが、接触しないように、凹部５１ａ，５２ａが設けられている。凹部５１ａ，５２ａは、内部ブリッジ部３６ａ、外周ブリッジ部３８ａよりもやや大きく、これにより、内部ブリッジ部３６ａと、外周ブリッジ部３８ａとに、金型５０からの熱が伝わることを低減することができる。

金属箔３０ａの熱処理の条件は、特に制限されるものではなく、金属原料の組成や発現させたい磁気特性などを考慮して適宜選択される。したがって、特に限定するものではないが、熱処理の温度は、例えば、用いる軟磁性材料の結晶化温度よりも高い温度である。これにより、アモルファス系軟磁性材料の熱処理により、アモルファス系軟磁性材料をナノ結晶系軟磁性材料とすることができる。熱処理は不活性ガス雰囲気下で行うことが好ましい。

結晶化温度は、結晶化が生じる温度である。結晶化の際には発熱反応が起きるため、結晶化温度は、結晶化に伴って発熱する温度を測定することで決定することができる。例えば、示差走査熱量測定（ＤＳＣ）を用い、所定の加熱速度（例えば０．６７Ｋｓ^−１）の条件下で結晶化温度を測定することができる。アモルファス系軟磁性材料の結晶化温度は、材質によって異なるが、例えば、３００〜５００℃である。また、同様に、ナノ結晶系軟磁性材料の結晶化温度も、示差走査熱量測定（ＤＳＣ）により測定することができる。ナノ結晶系軟磁性材料では、既に結晶が生じているが、結晶化温度以上に加熱することによりさらなる結晶化が生じる。ナノ結晶系軟磁性材料の結晶化温度は、材質によって異なるが、例えば、３００〜５００℃である。

この工程における、加熱温度は、アモルファス系軟磁性材料からナノ結晶系軟磁性材料への結晶化温度以上であれば特に制限されるものではないが、例えば、３５０℃以上であり、好ましくは４００℃以上である。加熱温度を４００℃以上とすることにより、効率的に結晶化を進めることができる。また、加熱温度は、例えば、６００℃以下であり、好ましくは５２０℃以下である。加熱温度を５２０℃以下とすることにより、過度の結晶化を防ぎ易くなり、副生成物（例えば、Ｆｅ_２Ｂなど）の発生を抑制することができる。

熱処理工程における加熱時間は、特に制限されるものではないが、好ましくは１秒以上１０分以下であり、より好ましくは１秒以上５分以下である。

ここで、上述した如く、モータのロータコアの昇温によりモータの出力が大幅に低下することを鑑みると、外周ブリッジ部３８が、アモルファス系軟磁性材料からなる金属箔３０ａを作製することが好ましい。すなわち、外周ブリッジ部３８が、アモルファス系軟磁性材料であれば、内部ブリッジ部３６は、アモルファス系軟磁性材料またはナノ結晶系軟磁性材料のいずれであってもよい。好ましくは、複数の内部ブリッジ部３６のうち、外周側内部ブリッジ部３６がアモルファス系軟磁性材料である。

たとえば、外周ブリッジ部３８が、アモルファス系軟磁性材料からなり、内部ブリッジ部３６が、ナノ結晶系軟磁性材料からなる金属箔３０ａを作製する際には、外周ブリッジ部３８のみを選択し、その他の部分をナノ結晶系軟磁性材料に変質させる。具体的には、熱処理工程において、外周ブリッジ部３８のみを選択し、それ以外の部分を上型５１および下型５２に接触させて、アモルファス系軟磁性材料からナノ結晶系軟磁性材料に変質させる。

これにより得られた金属箔３０ａは、外周ブリッジ部３８が、アモルファス系軟磁性材料からなるため、ロータコア３０の外周面が高温域まで昇温されたとしても、モータ１の出力が低下することを抑えることができる。

２−３．ロータコア製造工程について
次に、ロータコア製造工程を行う。この工程では、図５に示すように、熱処理工程において、変質させた金属箔３０ａを、ロータ３の回転軸方向に沿って積層し、貫通孔３２Ａに磁石５を埋設する。具体的には、貫通孔３２Ａ，３２Ｂが回転軸方向に沿って形成されるように、金属箔３０ａをロータコア３０の大きさに応じて積層する。金属箔３０ａを積層する際には、上述した接着剤を介して金属箔３０ａ同士を接合してもよい。次に、金属箔３０ａが積層された積層体３Ａに対して、貫通孔３２Ａに磁石５を挿入し、貫通孔３２Ａを樹脂で封止する。

このような製造方法によれば、熱処理工程において、内部ブリッジ部３６と外周ブリッジ部３８とで構成されるブリッジ部を、ナノ結晶系軟磁性材料よりも材料の強度が高いアモルファス系軟磁性材料に維持するので、ブリッジ部の強度を高めることができる。

また、局所的な加熱により、ブリッジ部以外の部分をナノ結晶系軟磁性材料に変質させるため、ブリッジ部を塑性変形させることなく、簡単にその強度を高めることができる。したがって、その後、ロータコア製造工程において、金属箔３０ａを積層する際、磁石５を埋設する際に、ブリッジ部の変形等を回避することができる。

本実施形態の製造方法により得られたロータ３は高速回転させたとしても、ブリッジ部の損傷が抑制され、ロータ３の耐久性が向上する。さらに、ナノ結晶系軟磁性材料に比べて、アモルファス系軟磁性材料の方が、飽和磁化が低いので、ブリッジ部を除く部分で、磁束がステータ２に向かって流れ易いため、モータ１の出力特性を高めることができる。

〔参考例１〕
磁性金属として、ＦｅおよびＮｉ、非磁性金属としてＢを含む溶融を準備し、これを急冷することにより組成がＦｅ_８４Ｂ_１３Ｎｉ_３となるアモルファス系軟磁性材料の素材を作製した。

〔参考例２〕
参考例１の素材を、５０３℃に加熱して、アモルファス系軟磁性材料をナノ結晶系軟磁性材料に変質させた素材を作製した。

〔参考例３〕
Ｆｅ−３ｍａｓｓ％Ｓｉの電磁鋼板を準備した。

＜評価試験＞
参考例１〜３の材料を所定の形状に切り出した試験体を作製し、この試験体に対して引張試験を行った。この結果を表１に示す。さらに、参考例１〜３の材料を所定の形状に切り出して試験体を作製し、この試験体の飽和磁化を測定した。この結果を表１に示す。

〔結果〕
表１に示すように、参考例１のアモルファス系軟磁性材料の引張強さは、参考例２のナノ結晶系軟磁性材料および参考例３の電磁鋼板よりも大きかった。さらに、参考例１のアモルファス系軟磁性材料の飽和磁化は、参考例２のナノ結晶系軟磁性材料および参考例３の電磁鋼板よりも小さかった。この結果から、上述したナノ結晶系軟磁性材料で構成されるロータコアに対して、ロータコアのブリッジ部を、部分的にアモルファス系軟磁性材料にすれば、ロータコアの強度を高めることができると考えられる。さらに、磁石埋込型のロータコアでは、ブリッジ部が、磁石の磁束が流れ難く設計されているところ、このブリッジ部をアモルファス系軟磁性材料とすることにより、その他の部分から効率的に、磁石の磁束がステータに流れるため、モータの出力特性を向上させることができると考えられる。

〔実施例１〕
図１に示す形状のモータのモデルを作製した。なお、ロータコアの直径は９７．５ｍｍ、その厚さは５９．５ｍｍとした。図２に示す、内部ブリッジ部３６のうち、中心側の内部ブリッジ部の幅を１．５０ｍｍとし、外周面３９側の内部ブリッジ部３６の幅を０．７５ｍｍとした。さらに、外周ブリッジ部３８のうち、貫通孔３２Ｂとロータコア３０の外周面３９との間の外周ブリッジ部３８の幅を、０．６０ｍｍとし、貫通孔３２Ａとロータコア３０の外周面３９との間の外周ブリッジ部３８の幅を、１．００ｍｍとした。このモデルに対して、すべてのブリッジ部に、表１に示すアモルファス系軟磁性材料の材料特性を付与し、その他の部分に、表１に示すナノ結晶系軟磁性材料の材料特性を付与した。このモデルを用いて、モータのトルク（最大トルク）を解析した。この結果を図６および表２に示す。

〔実施例２〕
実施例１と同じように、図１に示す形状のモータのモデルを作製し、モータのトルクを解析した。実施例１と相違する点は、外周ブリッジ部３８のみに、アモルファス系軟磁性材料の材料特性を付与した点である。この結果を、図６および表２に示す。

〔実施例３〕
実施例１と同じように、図１に示す形状のモータのモデルを作製し、モータのトルクを解析した。実施例１と相違する点は、図２に示す、内部ブリッジ部３６および外周ブリッジ部３８の幅を、１／３程度に狭くした点である。具体的には、内部ブリッジ部３６のうち、中心側の内部ブリッジ部３６の幅を０．５０ｍｍとし、ロータコア３０の外周面３９側の内部ブリッジ部３６の幅を０．２５ｍｍとした。さらに、外周ブリッジ部３８のうち、貫通孔３２Ｂとロータコア３０の外周面３９との間の外周ブリッジ部３８の幅を、０．２０ｍｍとし、貫通孔３２Ａとロータコア３０の外周面３９との間の外周ブリッジ部３８の幅を、０．３３ｍｍとした。この結果を、表２に示す。

〔比較例１〕
実施例１と同じように、図１に示す形状のモータのモデルを作製し、モータのトルクを解析した。実施例１と相違する点は、内部ブリッジ部および外周ブリッジ部を含む、すべての部分に、表１に示す電磁鋼板の材料特性を付与した点である。この結果を、図６および表２に示す。

〔比較例２〕
実施例１と同じように、図１に示す形状のモータのモデルを作製し、モータのトルクを解析した。実施例１と相違する点は、内部ブリッジ部および外周ブリッジ部を含むすべてに、表１に示すナノ結晶系軟磁性材料の材料特性を付与した点である。この結果を、図６および表２に示す。

表２および図６に示すように、実施例１〜３のモータのトルクは、比較例１，２のものよりも、大きかった。これは、実施例１〜３では、ブリッジ部をアモルファス系軟磁性材料にすることにより、その他の部分から、磁石の磁束がステータに効率的に流れるため、モータの出力特性を向上させることができたからであると考えられる。特に、実施例３の如く、ブリッジ部の幅を狭くすることにより、モータ駆動時に、ブリッジ部の磁束が飽和し、その他の部分から、磁石の磁束がステータに効率的に流れたと考えられる。

〔実施例４〕
実施例１と同じように、図１に示す形状のモータのモデルを作製し、モータのトルクを解析した。実施例１と相違する点は、体格（サイズ）の大きいモータを想定したモデルであり、実施例１のモータよりも出力の大きいモータである点である。この実施例４も、実施例１と同様に、内部ブリッジ部および外周ブリッジ部をアモルファス系軟磁性材料とし、その他の部分を、ナノ結晶系軟磁性材料として、ロータコアが２３℃、１６０℃の場合のモータの最大トルクを解析した。この結果を、図７に示す。なお、この解析では、図８Ａおよび図８Ｂに示すように、２３℃、１６０℃におけるナノ結晶系軟磁性材料、アモルファス系軟磁性材料の飽和磁束密度、および磁石残留磁束密度を物性値として用いた。

〔比較例３〕
実施例４と同じように、図１に示す形状のモータのモデルを作製し、モータのトルクを解析した。実施例４と相違する点は、内部ブリッジ部および外周ブリッジ部をナノ結晶系軟磁性材料とし、その他の部分も、ナノ結晶系軟磁性材料とした点である。したがって、比較例３では、ナノ結晶系軟磁性材料からなるロータコアが２３℃、１６０℃の場合のモータの最大トルクを解析した。この結果を、図７に示す。

〔比較例４〕
実施例４と同じように、図１に示す形状のモータのモデルを作製し、モータのトルクを解析した。実施例４と相違する点は、内部ブリッジ部および外周ブリッジ部をアモルファス系軟磁性材料とし、その他の部分も、アモルファス系軟磁性材料とした点である。したがって、比較例３では、アモルファス系軟磁性材料からなるロータコアが２３℃、１６０℃の場合のモータの最大トルクを解析した。この結果を、図７に示す。

図７に示すように、実施例４のモータは、比較例３および比較例４のものに比べて、温度上昇による最大トルクの低下が少なかった。これは、以下の理由による。図８Ａに示すように、アモルファス系軟磁性材料は、ナノ結晶系軟磁性材料に比べて温度上昇に伴い飽和磁束密度が大きく低下する材料である。実施例３では、モータを駆動することにより、ロータコアの外周面が高温域まで昇温されたとしても、アモルファス系軟磁性材料の外周ブリッジ部を介して磁束が流れることが制限される。一方、外周ブリッジ部を除く部分で、磁束がステータに向かって流れ易い。このような結果、モータのロータコアが高温域に到達しても、モータの最大トルクが低下することを抑えることができたと考えられる。

しかしながら、比較例４では、ロータコアがアモルファス系軟磁性材料からなるため、高温域では磁石からの磁束がステータに流れることをロータコア自体が制限する。この結果、高温域において、大幅に、モータ１の最大トルクが低下したと考えられる。一方、比較例３では、ロータコアがナノ結晶系軟磁性材料からなるため、比較例４に比べて、高温域では、磁束がステータに流れることをロータコア自体が制限し難い。しかしながら、外周ブリッジ部の飽和磁束密度の低下が小さいため、この部分にも磁束が流れ易くなり、実施例３よりも、温度上昇に伴い最大トルクが低下したと考えられる。

さらに、発明者らによれば、実施例４のモデルにおいて、外周ブリッジ部をアモルファス系軟磁性材料とし、内部ブリッジ部をナノ結晶系軟磁性材料としても、実施例４に示すように、他の比較例３、４に比べて、モータの最大トルクが低下することを抑えることができることが確認できた。

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。

本実施形態および実施例では、少なくとも外周ブリッジ部をアモルファス系軟磁性材料としたが、たとえば、内部ブリッジ部のみがアモルファス系軟磁性材料であってもよい。

１：モータ（磁石埋込型モータ）、２：ステータ、３：ロータ、５：磁石、６：ステータ鉄心、７：コイル、３０：ロータコア、３０ａ：金属箔、３２Ａ，３２Ｂ，３２ａ，３２ｂ：貫通孔、３６，３６ａ：内部ブリッジ部、３８，３８ａ：外周ブリッジ部、３９：外周面

Claims (4)

1. コイルが巻回されたステータと、前記ステータの内側に回転自在に配置されたロータと、を備えた磁石埋込型モータであって、
   前記ロータは、軟磁性材料からなる複数の金属箔を、前記ロータの回転軸方向に沿って積層したロータコアを備えており、
   前記ロータコアには、前記回転軸方向に沿って貫通した複数の貫通孔が形成され、前記複数の貫通孔は、磁石が埋設された貫通孔を有しており、
   前記ロータコアには、隣接する前記貫通孔同士の間に延在する内部ブリッジ部と、前記ロータコアの外周面側に位置する前記貫通孔と前記ロータコアの外周面との間に位置する外周ブリッジ部と、が形成されており、
   前記ロータコアのうち、前記内部ブリッジ部または前記外周ブリッジ部の少なくとも一方のブリッジ部は、アモルファス系軟磁性材料からなり、それ以外の部分は、ナノ結晶系軟磁性材料からなることを特徴とする磁石埋込型モータ。
2. 前記外周ブリッジ部が、アモルファス系軟磁性材料からなることを特徴とする請求項１に記載の磁石埋込型モータ。
3. コイルが巻回されたステータと、前記ステータの内側に回転自在に配置されたロータと、を備えた磁石埋込型モータの製造方法であって、
   アモルファス系軟磁性材料からなり、前記ロータのロータコアの形状に応じた金属箔であって、磁石を埋設するための貫通孔を含む複数の貫通孔が形成された金属箔を準備する工程と、
   準備した前記金属箔に対して、隣接する前記貫通孔同士の間に延在する内部ブリッジ部と、金属箔の外周側に位置する前記貫通孔と金属箔の外周との間に位置する外周ブリッジ部と、の少なくとも一方のブリッジ部を選択し、選択した前記ブリッジ部を除く部分を加熱して、前記選択したブリッジ部を前記アモルファス系軟磁性材料に維持しつつ、前記加熱した部分を前記アモルファス系軟磁性材料からナノ結晶系軟磁性材料に変質させる工程と、
   変質させた金属箔を、前記ロータの回転軸方向に沿って積層し、前記貫通孔に磁石を埋設し、前記ロータコアを製造する工程と、を含むことを特徴とする磁石埋込型モータの製造方法。
4. 前記変質させる工程において、前記選択したブリッジ部が、前記外周ブリッジ部であることを特徴とする請求項３に磁石埋込型モータの製造方法。