CN111886779A - 电动机及励磁元件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供具备对于涡流损耗的降低有效的粘结磁铁的电动机。本发明为具备电枢、以永久磁铁为磁力源的励磁元件及与电枢或励磁元件一起旋转的旋转轴的电动机。永久磁铁是由磁铁粒子和将磁铁粒子彼此粘结的粘结剂树脂构成的粘结磁铁。粘结磁铁的在轴向上测定的第一电阻率(ρ1)与在垂直于轴向的方向上测定的第二电阻率(ρ2)的比率即电阻各向异性度(ρ1/ρ2)为2以上。粘结磁铁例如是包含93～98.5％的磁铁粒子的压缩成形粘结磁铁，其第一电阻率为300μΩm以上。当将沿轴向配设压缩方向的压缩成形粘结磁铁用作励磁源时，能够有效地降低在该压缩成形粘结磁铁产生的涡流损耗。

Description

电动机及励磁元件
技术领域
本发明涉及能够实现涡流损耗的降低的电动机等。
背景技术
电动机(包括发电机而简称为“电动机”。)有各种类型。例如，也有不以永久磁铁为磁力源(励磁源)的绕组励磁式电动机、感应电动机等。但是，由于磁特性优良的稀土类磁铁的出现，以永久磁铁为励磁源的高性能的电动机被广泛使用。
然而，电动机利用交链磁通的变化来获得旋转力。因此，当电动机旋转时，当然在电枢、励磁元件的各部分也会产生磁通量的变化。在消除该磁通量的变化的朝向上会产生与其时间变化率相应的涡电流。涡电流的产生成为能量损失(所谓的“涡流损耗”)。为了降低该涡流损耗，通常构成电动机的转子(转子部)、定子(定子部)的壳体(磁芯、磁轭、外壳等)由将绝缘包覆的薄的电磁钢板在轴向上层叠而成的层叠体形成。
这样的情况也适用于作为励磁源的永久磁铁。例如，稀土类烧结磁铁是将由合金构成的各磁铁粒子直接结合而成的，电阻率非常低。因此，当使以稀土类烧结磁铁作为励磁源的电动机运转时，在稀土类烧结磁铁也能够产生大的涡流损耗。为了降低在稀土类烧结磁铁产生的涡流损耗，稀土类烧结磁铁会隔着绝缘体分为数份而配设。与此相关的记载例如在下述的文献中。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第3690067号公报
发明内容
发明要解决的课题
然而，最近，使用形状自由度大且生产性、成品率良好的粘结磁铁来代替烧结磁铁。在粘结磁铁的情况下，将各磁铁粒子粘结的树脂(简称为“粘结剂树脂”。)也兼作相邻的磁铁粒子间的绝缘材料。因此，与烧结磁铁相比，粘结磁铁的电阻率相差数量级地大而涡流损耗非常小。
但是，最近要求电动机的进一步的高输出化，其转速也趋向于增加。由于涡流损耗与磁通量变化的频率的二次方成比例地变大，因此假设电动机的转速变为N倍，则涡流损耗变为N2倍而急剧增大。因此，为了以更高维度兼顾电动机的高性能化和高效率化，若能够进一步降低粘结磁铁自身的涡流损耗则是优选的。
本发明鉴于这样的情况而做出，目的在于提供具备对于涡流损耗的进一步降低有效的粘结磁铁的电动机等。
用于解决课题的方案
本发明的发明者为了解决该课题而锐意研究的结果，成功得到了特定方向的电阻率比其他方向的电阻率大很多的粘结磁铁。考虑将该粘结磁铁用作电动机的励磁源来实现涡流损耗的降低，并确认了其效果。通过发展这些成果，由此实现了完成以下叙述的本发明。
[电动机]
(1)本发明的电动机是具备电枢、以永久磁铁为磁力源的励磁元件及与该电枢或该励磁元件一起旋转的旋转轴的电动机，上述永久磁铁是由磁铁粒子和将该磁铁粒子彼此粘结的粘结剂树脂构成的粘结磁铁，该粘结磁铁的轴向的第一电阻率(ρ1)与垂直于该轴向的方向的第二电阻率(ρ2)的比率即电阻各向异性度(ρ1/ρ2)为2以上。
(2)本发明的电动机将在产生涡流损耗的轴向上的电阻率相当大的粘结磁铁作为励磁源。因此，即使电动机的转速增加，也能够抑制在永久磁铁产生的涡流损耗的增加。这样根据本发明，能够提供以更高维度兼顾了高输出化和高效率化的电动机。
[励磁元件]
本发明也能够作为用于上述的电动机的励磁元件来理解。即，本发明可以是以永久磁铁为磁力源的励磁元件，上述永久磁铁是由磁铁粒子和将该磁铁粒子彼此粘结的粘结剂树脂构成的粘结磁铁，该粘结磁铁的轴向的第一电阻率(ρ1)与垂直于该轴向的方向的第二电阻率(ρ2)的比率即电阻各向异性度(ρ1/ρ2)为3以上。
[其他]
(1)在本说明书中所说的电动机(包括发电机。)只要以永久磁铁为磁力源(励磁源)，则其种类可以是任意的。该电枢和励磁元件中的任一个可以是转子(转子部)也可以是定子(定子部)。电动机可以是直流电动机也可以是交流电动机。转子可以是内转子也可以是外转子。
在本说明书中的“轴向”是电动机的旋转轴的延伸方向。轴向也是大致圆柱状或大致圆筒状的励磁元件的轴心延伸的方向。“周向”是绕其轴心的方向，“径向”是从其轴心放射状地延伸的方向。
(2)只要没有特别说明，在本说明书中的“x～y”包含下限值x及上限值y。可以将在本说明书记载的各种的数值或包含于数值范围的任意的数值作为新的下限值或上限值而新设如“a～b”的范围。
附图说明
图1是用于涡流损耗的解析的模型(电动机)的剖视图。
图2是示出电动机转速与在各种永久磁铁产生的涡流损耗的关系的散布图。
具体实施方式
可以将从本说明书中所记载的事项中任意地选择的一项或两项以上的构成要素附加于上述的本发明的结构。关于制造方法的构成要素也可以成为关于产品的构成要素。哪种实施方式是否为最优根据对象、要求性能等而不同。
[电阻率/电阻各向异性度]
优选本发明的粘结磁铁的在轴向上测定的第一电阻率(ρ1)相对于在垂直于轴向的方向上测定的第二电阻率(ρ2)的比例即电阻各向异性度(ρ1/ρ2)为2以上、2.5以上、3以上、3.1以上进而为3.2以上。
在本说明书中所说的电阻率通过由四端子法进行的测定求出。在垂直于轴向的方向的电阻率因测定方向而不同时，将对在垂直的方向中的至少两个方向(例如正交的两个方向)进行测定而得到的各电阻率值的平均值作为第二电阻率。在粘结磁铁是在取向磁场中成形的各向异性粘结磁铁的情况下，通常从与压缩方向(该压缩方向为向电动机组装时的轴向。)垂直的方向施加取向磁场。在该情况下，作为与其压缩方向(轴向)垂直的方向的电阻率，对取向方向(例如半径方向)的电阻率和与取向方向正交的方向(例如周向)的电阻率进行测定，并将其平均值作为第二电阻率即可。
本发明的粘结磁铁除了高电阻各向异性度之外，例如，若第一电阻率为300μΩm以上、500μΩm以上、1000μΩm以上、2000μΩm以上、3000μΩm以上进而为7000μΩm以上，则能够进一步降低涡流损耗而是优选的。
[粘结磁铁]
(1)粘结磁铁由磁铁粒子和粘结剂树脂构成。磁铁粒子优选磁特性优良的稀土类磁铁粒子，但也可以是除此以外的磁铁粒子(例如铁氧体粒子等)。磁铁粒子不限于一种，也可以是组成、粒度分布不同的多种混合存在的磁铁粒子。磁铁粒子可以是各向同性磁铁粒子，也可以是各向异性磁铁粒子。在使用各向异性磁铁粒子时，优选粘结磁铁在取向磁场中成形。
粘结剂树脂可以是热塑性树脂也可以是热固性树脂。在使用热固性树脂时，优选在成形后进行热固化处理(固化处理)。
(2)粘结磁铁也可以是注射成形粘结磁铁，但优选压缩成形粘结磁铁。在压缩成形粘结磁铁的情况下，能够减少粘结剂树脂量而增多磁铁粒子量。因此压缩成形粘结磁铁的磁通量密度通常比注射成形粘结磁铁的磁通量密度大，适合于电动机的高输出化。
压缩成形粘结磁铁也可以在磁铁粒子和粘结剂树脂中添加(液状)润滑剂而压缩成形。在压缩成形前混合或添加等的润滑剂在压缩成形中可能向外部漏出或者在进行固化处理的情况下可能在该处理中被放出。虽然原因尚未明确，但当这样的润滑剂即使微量残留于粘结磁铁内时，其行为使压缩方向的电阻率与其他方向的电阻率相比升高，认为有助于上述的电阻各向异性度的表现。
即使在压缩成形前添加大量的润滑剂，在压缩成形后进而在固化处理后的粘结磁铁中残留的润滑剂也不是很多。例如，相对于粘结磁铁整体(100质量％)，在其内部润滑剂为超过0％且2.5％以下，也可以残留0.02～2.0％、0.1～1.8％、0.3～1.5％、0.5～1.2％进而0.6～1％。若残留润滑剂为微量则能够使第一电阻率提高。但是，若其残留量变得过多则会导致磁特性的降低。
作为润滑剂，可以采用在室温下为液体状的润滑油(例如，熔点为15℃以下)、在室温下为固体状的固形物(蜡、硬脂酸锌、硬脂酸锌等成形用内部润滑剂)等。润滑油向原料(磁铁粉末与粘结剂树脂的混合原料)整体进而向成形体整体的分散性优良，容易表现电阻各向异性度。作为润滑油，例如可以使用各种酯(脂肪酸酯、多元醇酯等)。另外，在成形体的表面附着等的润滑剂也可以适当地通过脱脂处理除去。
(3)作为一个具体例，压缩成形粘结磁铁通过如下方式获得。将整体设为100质量％(简称为“％”。)，将使粘结剂树脂为1.5～5％、润滑剂为2～15％、剩余部分为磁铁粉末(还有微量的处理剂(表面活性剂等)和杂质)的混合物充填于成形模具内。使成形温度(模具温度)为100～150℃、成形压力为49～490MPa、取向磁场为0.5～3T而进行温热压缩成形。在采用环氧树脂等热固性树脂作为粘结剂树脂的情况下，通过将成形体加热至100～180℃来进行固化处理(固化处理)，能够得到高强度的粘结磁铁。在成形后进而在向励磁元件的壳体(励磁芯)的组装后，进行磁化(磁化磁场：2～6T)即可。另外，当然压缩成形粘结磁铁以其压缩方向沿励磁元件的轴心方向的方式配设即可。
(4)使用稀土类各向异性磁铁粉末(Nd-Fe-B系磁铁粉末、Sm-Fe-N系磁铁粉末、Sm-Co系磁铁粉末等)在取向磁场中压缩成形而得到的粘结磁铁例如为如下的规格、特性。将粘结磁铁整体设为100质量％，磁铁粒子为93～98.5％进而为95～97％，粘结磁铁的密度为5.5～6.3g/cm3进而为5.7～6.1g/cm3，磁通量密度(Br)为0.7～0.95T进而为0.8～0.9T，作为方形度的指标的Hk值(相对于Br的90％时的退磁曲线中的磁场的值)为398～597kA/m进而为478～557kA/m，最大磁能积(BHmax)为111～151kJ/m3进而为115～147kJ/m3，第一电阻率(ρ)为第一电阻率(ρ)为300～20000μΩm、500～20000μΩm、1000～20000μΩm、3000～20000μΩm(压缩方向)。作为一例，当第一电阻率为1000～12000μΩm且磁通量密度(Br)为0.8～0.9T时，能够以高维度兼顾第一电阻率和磁通量密度(Br)而是优选的。
[电动机]
电动机的用途可以是任意的，例如适用于在电动汽车、混合动力车或者铁路车辆等中使用的车辆驱动用电动机、在空调、冰箱或者洗衣机等中使用的家电产品用电动机等。另外，电动机也包括发电机(发电机器)而可以换称为旋转机。
实施例
制造各种永久磁铁(稀土类磁铁)，并测定了其电气特性(电阻率)和磁特性(磁通量密度、相对磁导率)。根据其结果，通过模拟求出了向永久磁铁内装(埋入)型电动机(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor：内装永磁同步电动机/简称为“IPM电动机”。)的转子芯的槽装填了各永久磁铁时的涡流损耗。基于这些具体例，在下文对本发明详细地进行说明。
[试样]
(1)原料
作为磁铁粉末准备了作为Nd系磁铁粉末(粗粉末)的市售的NdFeB系各向异性磁铁粉末(爱知制钢株式会社制Magfine/Br为1.28T，iHc为1313kA/m，平均粒径为100μm)和作为Sm系磁铁粉末(微粉末)的市售的SmFeN系各向异性磁铁粉末(住友金属矿山株式会社制SmFeN合金微粉D/Br为1.10T，iHc为1170kA/m，平均粒径为3μm)。
作为粘结剂树脂，准备了作为热固性树脂的环氧树脂(日本化药株式会社制K-60)和作为热塑性树脂的PPS(聚苯硫醚)。
(2)压缩成形粘结磁铁的制造(试样1、2、3、C1)
对于试样1～3，使用亨舍尔混合机将按照质量比称量为8：2的Nd系磁铁粉末和Sm系磁铁粉末充分混合。向混合后的磁铁粉末加入固态的环氧树脂并使用班伯里混炼机进行了加热混炼(110℃)。这样，得到了作为原料粉末的混合物。热固性树脂相对于混合物整体(100质量％)的比例为2.75质量％。
针对每种试样，在磁场中(1.5T)对投入成形模具的模腔的混合物进行温热成形。此时，成形温度均为120℃。试样1、2的成形压力为196MPa，试样3的成形压力为98MPa。这样，得到了14×14×14mm的立方体形状的成形体。
将该成形体在大气中加热150℃×1小时(固化处理)，使粘结剂树脂(环氧树脂)热固化。将该固化处理后的成形体在约6T的磁场中磁化。这样，得到了各试样的压缩成形粘结磁铁(供试验材料)。
另外，试样2和试样3在压缩成形前，从充填的混合物的上方添加作为润滑油(润滑剂)的多元醇酯(日油株式会社社制Unister H-481R)。其添加量相对于混合物整体(100质量份)为9质量％(10质量份)。另外，试样1不进行润滑油的添加而进行压缩成形。
试样2和试样3的成形压力不同。成形压力越低，成形体的密度越下降，在其内部残留的润滑油量也会增加。该情况在固化处理后也同样。在固化处理后的粘结磁铁内部残留的润滑油量(残留润滑剂量)相对于粘结磁铁整体(100质量％)，试样2为0.5质量％，试样3为1.0质量％。
另外，对于残留润滑剂量，将从固化处理后的粘结磁铁的质量减去投入成形模具的模腔的混合物的总质量(压缩成形前的磁铁粉末和粘结剂树脂的合计质量)后的质量差设为残留润滑剂量。
试样C1是以往就存在的一般的压缩成形粘结磁铁。试样C1相对于试样1变更以下方面而制造。作为磁铁粉末使用了作为Nd系磁铁粉末(粗粉末)的市售的NdFeB系各向异性磁铁粉末(爱知制钢株式会社制Magfine/Br为1.36T，iHc为1075kA/m，平均粒径为100μm)和作为Sm系磁铁粉末(微粉末)的市售的SmFeN系各向异性磁铁粉末(住友金属矿山株式会社制SmFeN合金微粉C/Br为1.38T，iHc为852kA/m，平均粒径为3μm)。
作为粘结剂树脂使用了作为热固性树脂的双酚A(Epikote 1004)。其比例相对于混合物整体(100质量％)为2.0质量％。压缩成形在磁场中(1.5T)进行了温热成形(成形温度为120℃，成形压力为882MPa)。当然，完全不添加在试样2、3中使用的润滑油等而进行压缩成形。
(3)注射成形粘结磁铁的制造(试样C2)
利用双轴混炼机将称量为质量比7：3的Nd系磁铁粉末及Sm系磁铁粉末与热塑性树脂加热(300℃)并且混炼。将得到的混炼物分割而形成颗粒(一粒：
Figure BDA0002677818400000091
)。热塑性树脂相对于颗粒整体(100质量％)的比例为10质量％。
将颗粒投入注射成形机的料斗并加热，将熔融混合物向模具的模腔充填。这样，得到了与已述的压缩成形粘结磁铁相同形状的注射成形粘结磁铁。另外，注射成形在对模具的模腔施加取向磁场(1.7T)的同时使模具温度为140℃、喷嘴温度为300℃而进行，得到了
Figure BDA0002677818400000092
Figure BDA0002677818400000093
的圆柱形状的成形体。其后，在测定磁特性后，加工为11×11×11mm的立方体形状，并进行了电阻率的测定。需要说明的是，在注射成形时，未添加已述的润滑油。
(4)烧结磁铁(试样C0)
作为成为基准的比较试样，也准备了市售的稀土类各向异性烧结磁铁(NeoMag社制N40SH)。
[测定]
(1)电气特性
对于各试样(永久磁铁)，通过四端子法测定正交的三个方向的电阻，并求出各方向的电阻率。针对每个试样，将三个方向的电阻率的最大值作为第一电阻率(ρ1)。将剩下的两个方向的电阻率的平均值作为第二电阻率。在表1中示出这样得到的各试样的第一电阻率和第二电阻率。
另外，试样1～3、C1均是沿压缩方向测定的电阻率在三个方向的电阻率中为最大。因此，这些试样的第一电阻率为沿压缩方向的电阻率。
试样C2的注射方向(熔融混合物的流动方向)的电阻率在三个方向的电阻率中为最大。因此，将该电阻率作为第一电阻率。剩下的两个方向是取向方向和与注射方向及取向方向垂直的方向。将在两方向上测定的电阻率的平均值作为第二电阻率。
(2)磁特性
对于各试样，使用直流BH示踪器(东英工业株式会社制TRF-5BH-25Auto)在常温下测定磁特性。在表1中一并示出得到的残留磁通量密度(Br)和相对磁导率。
[模拟]
(1)设定模型
通过模拟计算出使用了上述的各试样的永久磁铁时的涡流损耗。该计算使用图1所示的模型进行。模型是具备埋入型的由向槽装填的永久磁铁构成的4磁极的(内)转子(励磁元件)、具备24线圈槽的定子(电枢)、在中央具备旋转轴的IPM电动机(简称为“电动机”。)。
其各规格如下。定子外径为
Figure BDA0002677818400000101
转子外径为
Figure BDA0002677818400000102
转子的轴向长度(电动机轴长)为60mm，电流为5Arms的三相正弦波电流，线圈匝数为35turns/slot，电动机转速为6000rpm、30000rpm或60000rpm。
转子和定子的壳体(磁芯)均为电磁钢板(JFE钢铁制造的无取向电磁钢带JNEH2000，板厚为0.2mm)的层叠体。装填于转子的槽内的永久磁铁为2.5×21.8×60mm的长方体状(板状)。对轴向的电阻率和与轴向正交的方向的电阻率分别采用了表1所示的第一电阻率和第二电阻率。另外，虽然实物的电动机的永久磁铁使用粘接剂等来固定于槽，但本模拟假定为永久磁铁无间隙地嵌插于槽。
(2)解析
在计算以上述的转速将使用了各试样的永久磁铁的电动机运转时的电动机转矩和电动机输出P(kw)的同时，计算此时的在各永久磁铁产生的涡流损耗w(W)。当各永久磁铁的Br不同时，产生的转矩不同，即使转速相同，输出也不同。因此，利用使用了各永久磁铁的电动机的输出P将在各永久磁铁产生的涡流损耗w(W)标准化，并且计算将电动机输出固定为10kW(高输出电动机水平)时的各永久磁铁的涡流损耗We(W)。在表1中一并示出这样得到的结果。
具体而言，利用We(W)＝w(W)×10(kW)/P(kW))来计算10kW时的各永久磁铁的涡流损耗We。此外，在图2中示出了电动机转速与在永久磁铁产生的涡流损耗的关系。另外，在图2中，将纵轴的刻度宽度变更从而对于试样C0(烧结磁铁)也一并示出。顺便说明，在涡流损耗的计算中使用了磁场解析软件JMAG-Designer(JSOL公司制)。
[评价]
(1)由表1可知，试样1～3的压缩成形粘结磁铁的电阻率大，电阻各向异性度也大。试样C1虽然同样是压缩成形粘结磁铁，但电阻率小，电阻为各向同性(电阻各向异性度为1)。
试样C2的注射成形粘结磁铁也是电阻率较小、电阻也大致接近各相同性。另外，试样C2的树脂量比试样C1多，因此相应地电阻率也变高。另外，当然，试样C0的电阻率相差数量级地小，电阻也为大致各相同性。
(2)由表1及图2可知，永久磁铁的涡流损耗基本上为反映了各永久磁铁的电气特性的结果。即，在采用了第一电阻率及电阻各向异性度大的压缩成形粘结磁铁(试样1～3，特别是试样2、3)的情况下，即使电动机转速变为6万转其涡流损耗也小到不满0.05W的程度。
可知，通过取代以往的稀土类烧结磁铁而使用压缩成形粘结磁铁(试样1～3)，能够将涡流损耗(例如，在电动机的3万转时)大幅地降低至约120～1400分之一左右。
[表1]
Figure BDA0002677818400000131

Claims (7)

1.一种电动机，具备：
电枢；
以永久磁铁为磁力源的励磁元件；及
与该电枢或该励磁元件一起旋转的旋转轴，其中，
所述永久磁铁是由磁铁粒子和将该磁铁粒子彼此粘结的粘结剂树脂构成的粘结磁铁，
该粘结磁铁的轴向的第一电阻率(ρ1)与垂直于该轴向的方向的第二电阻率(ρ2)的比率即电阻各向异性度(ρ1/ρ2)为2以上。
2.根据权利要求1所述的电动机，其中，
所述第一电阻率为300μΩm以上。
3.根据权利要求1或2所述的电动机，其中，
所述粘结磁铁是将该粘结磁铁整体设为100质量％(仅记作“％”)而包含93～98.5％所述磁铁粒子的压缩成形粘结磁铁。
4.根据权利要求3所述的电动机，其中，
所述压缩成形粘结磁铁还包含润滑剂。
5.根据权利要求4所述的电动机，其中，
所述润滑剂相对于所述压缩成形粘结磁铁整体含有0.02～2.5％。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的电动机，其中，
所述粘结剂树脂为热固性树脂。
7.一种励磁元件，用于权利要求1～6中任一项所述的电动机。
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