技術領域

本發明涉及在磁芯埋入永久磁鐵的磁鐵埋入型轉子及磁鐵埋入型轉子的制造方法。

背景技術：

例如美國專利申請公開第2015/0137629號中記載了具備從磁芯的徑向外側向磁芯的徑向內側延伸的永久磁鐵的轉子。

作為上述轉子的制造工序，會考慮采用在磁芯形成插入孔并向填充于插入孔的永久磁鐵的材料(磁鐵材料)從磁芯的徑向外側外加磁場的工序。但是，該情況下，在磁鐵材料的磁芯的徑向外側的端部，磁鐵材料內的磁路有可能變短。在徑向外側的端部，磁鐵材料內的磁路變短的情況下，在徑向外側的端部，永久磁鐵的取向方向的長度變短。另一方面，如果驅動電動機，則永久磁鐵中的徑向外側的永久磁鐵容易被施加與永久磁鐵的磁通相反的磁場，在被施加相反磁場的情況下，永久磁鐵的取向方向的長度越短越容易減磁。因此，如上述那樣，在徑向端部的永久磁鐵的取向方向的長度變短的情況下，存在在轉子的使用過程中永久磁鐵容易減磁的趨勢。

技術實現要素：

本發明的目的之一在于，提供能夠抑制埋入磁芯的永久磁鐵產生減磁的磁鐵埋入型轉子及磁鐵埋入型轉子的制造方法。

本發明的第一方式的電動馬達用的磁鐵埋入型轉子包括：

磁芯，其由軟磁材料構成；以及

永久磁鐵，其埋入于磁芯，

上述永久磁鐵具備分別從上述磁芯的徑向外側向內側延伸的第一部分和第二部分，

上述第一部分和上述第二部分鄰接，

由上述第一部分和上述第二部分形成一個磁極，

構成上述一個磁極的上述第一部分和上述第二部分各自在上述徑向外側的端部中的取向方向是：越趨向于上述一個磁極在上述磁芯的周向上的中央側而越遠離磁芯的中心的方向，

在與上述磁芯的軸向正交的剖面中，上述第一部分和上述第二部分的在上述磁芯的徑向的最外側的端面沿著上述永久磁鐵的取向方向。

第一部分和上述第二部分的與磁芯的軸向正交的剖面上的端面的形狀在相對于取向方向偏離平行的情況下，永久磁鐵的取向方向的長度在端面附近變短。而且，在取向方向的長度較短的情況下，容易產生減磁。與此相對地，第一部分和上述第二部分的與磁芯的軸向正交的剖面上的端面的形狀在相對于取向方向近似平行的情況下，永久磁鐵的取向方向的長度在端面附近與稍微離開端面的部分相比，也不會變得過短。因此，在上述結構下，通過將磁芯的徑向外側的端面的與磁芯的軸向正交的剖面設定為沿著永久磁鐵的取向方向，能夠抑制埋入磁芯的永久磁鐵產生減磁。

有關本發明的第二方式，在上述方式的磁鐵埋入型轉子中，對于上述磁芯中與上述第一部分和上述第二部分在上述磁芯的徑向最外側的端部分別對置的部分而言，該部分的外徑隨著向上述一個磁極在上述磁芯的周向上的中央接近而逐漸增加。

在上述結構下，構成一個磁極的第一部分和第二部分的各自的徑向外側的端部的取向方向是越趨向于該一個磁極的中央側而越遠離磁芯的中心的方向。因此，第一部分和第二部分的徑向外側的端面中與磁芯的軸向正交的剖面的形狀越趨向于一個磁極的中央側而越遠離磁芯的中心。這里，在假設磁芯的外徑恒定的情況下，第一部分和第二部分的各自的上述端面與磁芯的外周的距離越遠離一個磁極的中央側而越長。另一方面，第一部分和第二部分彼此在周向上對置的一對面的極性相互不同。

而且，磁芯中與第一部分、第二部分對置的部分構成不通過定子而將上述一對面中構成磁極的面即上述中央側的面和另一方的面連接的短路路徑。而且，第一部分和第二部分的各自的上述端面到磁芯的外周的距離越長，即成為漏磁通的磁路的路徑的寬度越寬，短路路徑的磁通越多。

這里，在上述結構下，隨著向一個磁極的中央接近，而使磁芯的與上述第一部分和上述第二部分在徑向最外側的端部分別對置的部分的外徑逐漸增加。因此，能夠抑制產生第一部分和第二部分的各自的徑向外側的端部到磁芯的外周的距離變長的部分，進而能夠減少上述短路路徑的磁通。

有關本發明的第三方式，在上述方式的磁鐵埋入型轉子中，上述磁芯的外徑隨著從上述一個磁極與在該一個磁極的兩側分別鄰接的磁極之間的邊界接近該一個磁極的中央而逐漸增加。

在上述結構中，磁芯的外徑隨著從一個磁極與在該一個磁極的兩側分別鄰接的磁極之間的邊界接近該一個磁極的中央而逐漸增加。因此，容易在磁芯中的一個磁極的中央部分聚集從第一部分、第二部分出來的磁通、進入第一部分、第二部分的磁通。因此，容易生成使中央部分的磁通密度變得極大的基本波形狀的磁通，進而能夠減少磁通的空間高次諧波。

有關本發明的第四方式，在上述方式的磁鐵埋入型轉子中，在上述永久磁鐵中，上述磁芯在徑向內側沿上述取向方向的長度短于上述磁芯在徑向外側沿上述取向方向的長度。在上述結構下，永久磁鐵的取向方向的長度在徑向內側短于徑向外側，因此能夠擴大永久磁鐵的表面積，進而容易增多永久磁鐵的磁通。另外，在向磁芯填充了磁鐵材料后向磁鐵材料外加磁場來生成永久磁鐵的情況下，通過徑向內側的磁鐵材料的磁路在永久磁鐵的取向方向的長度恒定的情況下，與通過徑向外側的磁鐵材料的磁路相比，磁阻容易增大，因此通過徑向內側的磁鐵材料的磁通容易變小。與此相對地，在上述結構下，通過使永久磁鐵的取向方向的長度在徑向內側短于徑向外側，能夠減少通過徑向內側的磁鐵材料的磁路的磁阻，因此能夠抑制通過徑向內側的磁鐵材料的磁通變少。

本發明的第五方式是制造上述方式的埋入磁鐵型轉子的制造方法,其具有：

向上述磁芯的插入孔填充上述永久磁鐵的材料即磁鐵材料的填充工序；以及

針對上述插入孔內的上述磁鐵材料，從上述磁芯的徑向向上述磁鐵材料外加磁場的定向磁化工序。

在上述結構下，從磁芯的徑向向填充于磁芯的插入孔的磁鐵材料外加磁場。因此，第一部分和第二部分的各自的徑向外側的端部的取向方向容易成為越趨向于該一個磁極的中央側而越遠離磁芯的中心的方向。即，容易成為上述第一方式所述的磁鐵埋入型轉子的永久磁鐵的取向方向。另外，在上述第四方式所述的磁鐵埋入型轉子的情況下，能夠通過定向磁化工序來抑制通過徑向內側的磁鐵材料的磁通變少，因此能夠提高取向率和磁化率，進而能夠提高永久磁鐵的使用效率。

附圖說明

根據以下參照附圖對實施例進行的詳細說明可了解本發明的上述以及更多的特點和優點，在附圖中，對相同的元素標注相同的附圖標記。

圖1是第一實施方式所涉及的磁鐵埋入型轉子的俯視圖。

圖2是示出該實施方式所涉及的填充工序和定向磁化工序的俯視圖。

圖3是該實施方式所涉及的轉子的局部剖視圖。

圖4是例示該實施方式所涉及的磁通密度分布的圖。

圖5是示出比較例的轉子的局部形狀的圖。

圖6是例示比較例的磁通密度分布的圖。

圖7是第二實施方式所涉及的轉子的局部放大圖。

圖8是示出能夠提高磁化率和取向率的永久磁鐵形狀示例的圖。

圖9是示出上述永久磁鐵的磁鐵厚度的圖。

圖10是示出能夠提高磁化率和取向率的永久磁鐵形狀的其它示例的圖。

圖11是示出上述永久磁鐵的磁鐵厚度的圖。

具體實施方式

下面參照附圖說明磁鐵埋入型轉子所涉及的第一實施方式。圖1所示的轉子10內置于磁鐵埋入式同步馬達(IPMSM)。該IPMSM構成電動助力轉向裝置(EPS)。轉子10具備由軟磁材料形成的磁芯12和永久磁鐵16。磁芯12層疊多個硅鋼板即電磁鋼板而形成，具備保持磁路、永久磁鐵16、以及生成和傳遞旋轉轉矩的功能。磁芯12具備10個在其軸向Da上貫通的插入孔14。插入孔14的與軸向Da正交的剖面形狀是大致U字狀的形狀。插入孔14在磁芯12的周向Dc均勻配置。在插入孔14埋入有永久磁鐵16。永久磁鐵16通過將磁粉和樹脂的混合物作為磁鐵材料并對其磁化而生成。此外，轉子10的軸向Da的任意位置的剖面形狀的外周為圖1所示的外周。

在本實施方式中，將磁芯12作為金屬模使用，通過注射成形將磁鐵材料填充到插入孔14，并對所填充的磁鐵材料外加磁場，由此生成永久磁鐵16。

圖2示出向本實施方式所涉及的插入孔14填充磁鐵材料的工序和磁鐵材料的定向磁化工序。在本實施方式中，在向插入孔14填充磁鐵材料16c的同時，從磁芯12的徑向由磁化器20外加磁場。即，在本實施方式中，填充工序和定向磁化工序在時間軸上相重疊。由此，從被填充到插入孔14的磁鐵材料16c依次外加磁場。順便說一下，磁化器20具備與磁極的數量相同數量的齒22，線圈24卷繞于齒22，通過對線圈24通電，將齒22作為電磁鐵使用。

圖3示出經由圖2所示的工序生成的轉子10的一部分的剖面結構。此外，圖3例示了經由圖2的磁化器20的定向磁化工序而通過磁芯12等的磁路Lmf。

如圖3所示，構成一個磁極的永久磁鐵16是從徑向外側向內側延伸的第一部分16a和第二部分16b在徑向內側的連接部CS相結合的磁鐵。在構成一個磁極的第一部分16a和第二部分16b，在圖2所例示的定向磁化工序中，磁通通過圖3所例示的磁路Lmf，由此仿效磁路Lmf將磁鐵材料定向磁化。在圖3中，在第一部分16a和第二部分16b以箭頭示意性地示出了取向方向MO。在這里，取向是指將構成永久磁鐵16的磁粉的易磁化方向對齊，取向方向是與磁化后的永久磁鐵16的磁矩的方向平行的方向。

在本實施方式中，第一部分16a和第二部分16b的在磁芯12的徑向最外側的端面ES中的與軸向Da正交的剖面為沿著取向方向MO的形狀。因此，即使在端面ES附近，第一部分16a和第二部分16b的取向方向MO的長度也是大致恒定的長度。

另外，隨著從由第一部分16a和第二部分16b構成的一個磁極(圖3中為N極)和與之鄰接的一對磁極(圖3中為S極)的各自的邊界BL向磁芯12的周向上的該一個磁極的中央側接近，磁芯12的直徑逐漸增加。特別是，第一部分16a和第二部分16b的各自的端面ES與磁芯12的外周之間的距離大致恒定。順便說一下，圖3以雙點劃線示出了從磁芯12的中央具有規定半徑的圓的一部分。而且，轉子10如圖1所示，其平面形狀是具有極數(這里為10)個花瓣的花瓣形狀。

這里，說明本實施方式的作用。磁芯12的插入孔14形成為預先劃分出圖3所示的永久磁鐵16的端面ES。然后，如圖2所示，在插入孔14填充磁鐵材料16c，并對其外加磁場，由此生成永久磁鐵16。在這里，外加于磁鐵材料16c的磁場是沿著圖3所示的磁路Lmf的磁場。因此，第一部分16a和第二部分16b的端面ES附近的取向方向MO成為沿著與軸向Da正交的剖面的端面ES的方向。

根據以上說明的本實施方式，能夠獲得以下所述的效果。

(1)將第一部分16a和第二部分16b在磁芯12的徑向最外側的端面ES中的與軸向Da正交的剖面設為沿著永久磁鐵16的取向方向MO。由此，在端面ES附近，永久磁鐵16的取向方向MO的長度與稍微離開端面ES的部分相比，也不會變得過短。因此，能夠抑制埋入磁芯12的永久磁鐵16產生減磁。

(2)將磁芯12設定為與第一部分16a和第二部分16b分別對置的外周部分的外徑隨著接近磁極的中央而逐漸增加的形狀。由此，與將上述對置的外周部分設定為圓筒面的、亦即圓柱形轉子的外周的一部分的情況相比，第一部分16a和第二部分16b的各自的徑向外側的端面ES到磁芯12的外周的距離不會隨著趨向周向的磁極的外側而變長。順便說一下，在越趨向于周向的磁極的外側上述距離越長的情況下，磁通容易進入該部分，進而，不通過定子線圈而使圖3所示的永久磁鐵16的內周面16d和外周面16e短路的短路路徑的磁通量增多。

(3)將磁芯12的外徑設定為：隨著從一個磁極和在該一個磁極的兩側分別鄰接的磁極的邊界BL向磁芯12的周向上的該一個磁極的中央接近而逐漸增加。由此，容易將從第一部分16a、第二部分16b出來的磁通、進入第一部分16a、第二部分16b磁通聚集到磁芯12中的一個磁極的中央部分。因此，容易生成使磁極的中央部分的磁通密度變得極大的基本波形狀的磁通，進而能夠減少磁通的空間高次諧波。

圖4示出本實施方式所涉及的磁通密度分布。與此相對地，圖6示出圖5所示的比較例的磁通密度分布。在圖5所示的比較例中，雖然隨著從與永久磁鐵116的內周面116d的徑向外側的端部對置的部分接近周向的中央，使磁芯112的外徑逐漸增加，但是，在與永久磁鐵116的徑向的端部對置的部分，將磁芯112的外周設定為具有恒定曲率的圓的圓弧。而且，與此相應地，永久磁鐵116的徑向的最外側的端面的與軸向Da正交的剖面的形狀是與圓弧的距離保持大致恒定的形狀，并不沿著取向方向。該情況下，如圖6所示，磁通密度分布大幅偏離基本波波形。

下面參照附圖重點說明與第二實施方式、第一實施方式的不同點。

圖7示出本實施方式所涉及的永久磁鐵16的剖面形狀。

如圖7所示，本實施方式所涉及的永久磁鐵16除了連接部CS附近的R部UR以外，隨著趨向徑向內側，取向方向的長度(永久磁鐵16的厚度)遞減。圖7為了便于比較，以虛線示出上述第一實施方式的永久磁鐵16的形狀。換言之，除了R部UR以外，以虛線示出將取向方向的長度設定為大致恒定的情況下的永久磁鐵的形狀。

本實施方式所涉及的形狀設定是用于提高永久磁鐵16的取向率和磁化率的設定。這里，將取向率設定為易磁化方向與同永久磁鐵16所要求的磁矩平行的方向一致的程度。在取向率低的情況下，由于磁化，最終從N極出來并進入S極的磁通的磁通密度降低。另一方面，將磁化率設定為永久磁鐵16內的局部區域(磁區)的磁矩(磁化方向)一致為一個方向上的程度。即，即使取向率高，只要磁化方向與一對易磁化方向中的任一方的一致的程度低，從永久磁鐵16的N極出來并進入S極的磁通的磁通密度就降低。在本實施方式中，著眼于不僅提高磁化率還提高取向率，來增大IPMSM的速度電動勢系數，從而增大流過規定大小的電流時IPMSM所產生的轉矩。

在本實施方式中，也與上述第一實施方式相同，通過注射成形向磁芯12的插入孔14填充磁鐵材料16c，并通過圖2所示的磁化器20對磁鐵材料16c外加磁場。該情況下，磁鐵材料16c中與徑向外側相比磁通難以進入徑向內側。其理由之一是因為，從磁化器20出來、通過徑向內側的磁鐵材料16c并返回磁化器20的磁路的磁阻大于從磁化器20出來、通過徑向外側的磁鐵材料16c并返回磁化器20的磁路的磁阻。而且，在永久磁鐵16的徑向內側的取向率、磁化率低的情況下，磁鐵材料16c的使用量多但不會產生轉矩，磁鐵材料16c的利用效率降低。

與此相對地，在本實施方式中，隨著趨向徑向內側而使永久磁鐵16變薄，由此對從磁化器20出來、通過徑向內側的磁鐵材料16c并返回磁化器20的磁路的磁阻因磁路長而變得大于從磁化器20出來、通過徑向外側的磁鐵材料16c并返回磁化器20的磁路的磁阻的情況進行補償。這是因為與磁芯12相比磁鐵材料16c的透磁率低而實現了上述補償。

根據以上說明的本實施方式，除了上述第一實施方式的上述(1)～(3)的效果，還能進一步獲得以下效果。

(4)將永久磁鐵16的厚度(取向方向的長度)設定為徑向內側比徑向外側薄。由此，能夠減少從磁化器20出來、通過徑向內側的磁鐵材料16c并返回磁化器20的磁路的磁阻，因此能夠增大通過徑向內側的磁鐵材料16c的磁通。因此，能夠提高永久磁鐵16的徑向內側的取向率和磁化率。

另外，因為使徑向內側的永久磁鐵16的厚度薄于徑向外側，所以與將厚度設定為恒定的情況相比，能夠擴大永久磁鐵16的表面積。因此，容易增大永久磁鐵16的磁通。

另外，通過使徑向內側的永久磁鐵16的厚度變薄，能夠減少一個轉子10所使用的磁鐵材料16c的量，因此有助于降低成本。并且，通過增厚永久磁鐵16中的在IPMSM驅動過程中容易受到逆磁場的徑向外側部分的厚度，能夠抑制產生減磁的情況。

此外，還可以如下變更實施上述實施方式的各事項的至少一項。

永久磁鐵的形狀并不局限于在徑向內側使第一部分16a和第二部分16b連結的形狀，還可以設定為分離的形狀。但是，在該情況下，優選通過使透磁率低的部件與第一部分16a、第二部分16b中徑向內側的端部接觸，來限制通過該端部的短路路徑的磁通量。并且，作為使第一部分16a和第二部分16b分離的形狀并不局限于將U字狀的部件一分為二的形狀。例如，還可以設定為將V字狀的部件一分為二的形狀，并且，還可以是將“コ”狀的部件一分為二的形狀。

永久磁鐵并不局限于在填充于磁芯12后被磁化成為永久磁鐵。例如，也可以將預先磁化了的燒結磁鐵填充于磁芯12。在該情況下，構成一個磁極的第一部分16a和第二部分16b的各自的徑向外側的端面ES與軸向Da正交的剖面形狀如果是沿著取向方向，則能夠抑制減磁。

磁芯的形狀如圖3所示，并不局限于隨著從鄰接的磁極彼此的邊界BL接近磁極的中央而外徑逐漸增加的形狀。例如，還可以是僅針對與第一部分16a的端面ES和第二部分16b的端面ES彼此對置的部分，隨著接近磁極的中央而使外徑逐漸增加，而將被與第一部分16a的端面ES和第二部分16b的端面ES彼此對置的部分夾著的部分的外徑設定為恒定。該情況下也能獲得上述(1)、(2)的效果。

另外，例如，還可以將磁芯設為圓柱形狀，以與第一部分16a的端面ES和第二部分16b的端面ES彼此不接觸的方式形成縫隙，將其作為隔磁部。

磁芯的材料并不局限于由硅鋼板等電磁鋼板形成。例如，還可以由FCD(球墨鑄鐵)、軟鐵等形成。

制造方法并不局限于通過注射成形而形成永久磁鐵16。例如，還可以通過壓縮成型來形成。上述壓縮成型能夠通過以下方式來實現，即：將在樹脂上涂覆了磁粉而形成的磁鐵材料壓縮并填充于插入孔14，并且從磁芯12的徑向外加磁場。而且在該情況下，在因從磁芯12的徑向外加磁場，在徑向的端部永久磁鐵16的取向方向的長度變短的情況下，容易產生減磁，因此將第一部分16a和第二部分16b的各自的與軸向Da正交的剖面的端面ES的形狀設定為沿著取向方向的設計，是有效的。

關于永久磁鐵的取向方向的長度，設定為使徑向內側的永久磁鐵16的取向方向的長度短于徑向外側，并不局限于上述第二實施方式(圖7)所例示的情況。圖8示出如以往那樣在將磁芯212設定為圓柱形狀并將磁芯212的徑向外側的永久磁鐵216的形狀設定為沿著磁芯212的外徑的情況，特別是通過調整永久磁鐵216的取向方向的長度提高了磁化率、取向率的例子。在圖8中，如果使用從第一部分216a和第二部分216b的連接部CS沿永久磁鐵216的外周的長度L以及永久磁鐵216的取向方向的最小長度(最小厚度c)，則從連接部CS沿外周的長度x的取向方向的長度即磁鐵厚度t滿足以下式(c1)。

t＝c+b/[1+exp{-a·(x+h-L/2)}] (c1)

在上述式(c1)中，使用了系數a、常量b、c。這里，常量b被設定為從取向方向的最大長度(最大厚度)減掉了最小厚度c而得的值左右。

圖9示出由上述公式(c1)規定的沿著永久磁鐵216的外周的長度x和磁鐵厚度t的關系。如圖9所示，磁鐵厚度t從c+b左右的最大厚度向最小厚度c過渡。此時，在變為最大厚度和最小厚度的中間厚度時的沿著永久磁鐵216的外周的長度x可由常量h進行調整。圖9中，在沿著永久磁鐵216的外周的長度x變為L/2左右的情況下，以磁鐵厚度t變為最大厚度和最小厚度的中間厚度的方式調整了常量h。但是，在希望延長僅磁芯212的外周附近的磁鐵厚度t的情況下，只要以磁鐵厚度t變為最大厚度和最小厚度的中間厚度的位置處于磁芯212的外周附近的方式，調整常量h即可。

此外，上述式(c1)在長度x大的情況下，收斂于c+b，在長度x小的情況下，收斂于最小厚度c，但在增大系數a的情況下，從c附近的值和c+b附近的值中的一方向另一方變化的速度的絕對值變大。

作為通過調整永久磁鐵216的取向方向的長度來提高磁化率、取向率的手法，并不局限于使用上述式(c1)的方法。例如，如圖10例示所示，可以設定磁芯212內的永久磁鐵316的形狀。圖11中示出沿著永久磁鐵316的外周的長度x和磁鐵厚度t的關系。

此外，圖8、圖10所例示的磁鐵厚度t的設定如上述實施方式所示，可以適用于永久磁鐵的端面與軸向Da正交的剖面沿著取向方向的情況。并且，此時，可以將磁芯的形狀設定為上述實施方式、其變形例所述的形狀。

此外，作為磁化器20并不局限于使用電磁鐵，例如還可以使用永久磁鐵。

作為IPMSM，并不局限于內置于EPS。例如，也可以內置于可變齒輪比轉向系統。當然并不局限于內置于用于對轉向輪實施轉向的促動器。