JP2006054932A

JP2006054932A - 高抵抗磁石モータ

Info

Publication number: JP2006054932A
Application number: JP2004232884A
Authority: JP
Inventors: Matahiro Komuro; 又洋小室
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2004-08-10
Filing date: 2004-08-10
Publication date: 2006-02-23

Abstract

【課題】
高抵抗磁石を磁気回路に用いたときの、磁束密度や抵抗の値について損失低減のための規定がなく、損失低減を実現できるこれらの値を得ることが課題であった。
【解決手段】
磁石磁界を利用するモータにおいて、希土類元素あるいはアルカリ土類元素の少なくとも１つの元素を含むフッ素化合物を含む層で部分的に絶縁された高抵抗磁石を用い、損失低減効果を実現するために、固定子と回転子間のギャップにおける磁束密度が０.１Ｔとすること、あるいは磁石抵抗を０.２ｍΩcm 以上とすること。
【効果】
渦電流損低減を主とする損失低減が実現でき、高磁束密度の磁気回路を用いた回転機，ＭＲＩなど周波数の高い回路に対する損失低減も可能である。
【選択図】図３

Description

本発明は希土類磁石を用いたモータの構成に関するものである。

従来のフッ素化合物を含む高抵抗の希土類焼結磁石は、特開平１０−１６３０５５号公報に記載されている。前記従来技術では、希土類永久磁石の抵抗を高くするために、CaF₂，ＳｒＦ₂，ＮｄＦ₃などのフッ素化合物を絶縁材として使用し、１０ｍΩcmの比抵抗を有する磁石が得られることを示している。前記公知例には、モータの構成に関する記載がなく、損失を低減するためのモータに関する記載もない。

特開平１０−１６３０５５号公報

上記従来の発明では、モータに関する実施例の記載がなく、渦電流損失を低減するための磁石の高抵抗化を実現させるための手法に関する記載のみであり、損失低減のための抵抗の値に関する記載がない。高抵抗磁石により損失を低減するためには、モータにおいて損失の原因と関係する、磁束密度や磁束密度波形を規定する必要がある。

本発明の一つの特徴は、磁石磁界を利用するモータにおいて、前記磁石が希土類元素あるいはアルカリ土類元素の少なくとも１つの元素を含むフッ素化合物を含む層で部分的に絶縁され、固定子と回転子間のギャップにおける磁束密度が０.１Ｔ以上とした点にある。

フッ素化合物を含む高抵抗磁石をモータに適用することで、渦電流損や渦電流に起因する損失を低減することができ、モータの効率を高めることができる。このような効果は、モータ以外の磁気回路についても損失低減が可能であり、ＭＲＩ，発電機や高磁場発生装置における損失低減が可能となる。

本発明は希土類元素を含むＲ−Ｆｅ−Ｂ（Ｒは希土類元素）系あるいはＲ−Ｃｏ系磁石のエネルギー積低減を抑えて高抵抗化し、その磁石を回転子に使用することで、損失を低減できる磁石モータである。このような磁石モータには、ハイブリッド自動車の駆動用，スタータ用，電動パワステ用が含まれ、遠心分離機，掃除機，電動機，発電機，スピンドルなどの高速モータも含まれる。

本発明は、上記目的を達成するために、渦電流損失が効果的に低減される永久磁石の比抵抗の値に関して知見を得るために、種々の磁石モータを試作評価した。その結果回転子の径方向最外周側に磁石を配置した表面磁石回転子において、ギャップの磁束密度が1.0Ｔの時に磁石比抵抗を０.２ｍΩcm 以上にすると高抵抗化による損失低減を確認できた。このように、磁石の比抵抗を大きくすると損失が低減できるのは、渦電流損を小さくできるためである。磁石の渦電流損は焼結した磁石ブロックを分割して電流パスを遮断する手法があるが、渦電流損を小さくするには、分割数を多くする必要があり、複雑形状の磁石では加工コストが無視できなくなる。そこで本発明では、焼結または焼成磁石において希土類あるいはアルカリ土類元素の中の少なくとも１種類の元素を含むフッ素化合物を用いて磁石の一部に絶縁層を形成して磁石の抵抗を増加させる。表面磁石モータでは図１のような断面図において高抵抗磁石１を配置させている。図では周方向に４分割になっているが、分割しなくても高抵抗磁石を用いることで渦電流損を低減可能である。表面磁石モータの場合、ギャップの磁束は磁石に印加され、高抵抗化による損失低減効果が最も大きい。表面磁石モータとしてはラジアル磁石，極異方性磁石、あるいは単純な異方性磁石のいずれにおいても高抵抗化による渦電流損失低減効果が認められる。高抵抗磁石を磁気回路に使用すると、磁束密度及び磁束密度の波形歪の値が大きくなるほど損失が低減できる。焼結ＮｄＦｅＢ磁石の比抵抗は０.１５ｍΩcm であるが、この焼結磁石を磁気回路の一部に使用し交流磁束を印加すると印加する磁束密度の大きさ、印加する磁束密度の波形や周波数に依存して渦電流損が変化する。渦電流損は、磁石の電気抵抗が大きくなれば減少することは知られており、前記フッ素化合物を含む希土類磁石を使用すれば磁石の抵抗が高くなるため、渦電流損失を小さくすることが可能である。磁気回路において磁石に隣接して軟磁性材が配置されている。磁気回路の損失を低減するためには、軟磁性材の損失も小さくすることが望ましい。そのためには、軟磁性材のヒステリシス損失及び渦電流損失を小さくする必要がある。このような軟磁性材として、積層電磁鋼板，アモルファス（非晶質），圧粉鉄，鉄系結晶質急冷材などがある。モータにおいて、高抵抗磁石と回転子の軟磁性材料及び固定子の軟磁性材料の組み合わせとして、磁束密度が高くない場合、高抵抗磁石とアモルファスとの組み合わせが最も損失低減が可能となる。図２において高抵抗磁石１は回転子の内周側に配置されており、外周側に軟磁性材１０２がある。この軟磁性材１０２にアモルファスを使用することで、アモルファスの高強度を利用して高速回転用モータに使用できる。高速回転時には、磁束の周波数が高くなり、高周波での損失が一般には増加する。この損失増加を抑制するために、ヒステリシス損が小さいアモルファスと渦電流損の小さい高抵抗磁石を用いればよい。高抵抗磁石を使用することで渦電流損が低減され、磁石部の発熱が抑制されるため、磁石の高抵抗化により磁石使用量を低減することが可能である。アモルファスの飽和磁束密度は約１.５Ｔであるので、この磁束密度を超える場合は、アモルファスを使用すると磁気飽和が起こりモータの誘起電圧波形に歪が生じる。このため、ギャップあるいはティース部の磁束密度が１.５Ｔを超える場合は、圧粉鉄を使用すればよい。圧粉鉄においても絶縁層が形成されているが、高抵抗磁石の絶縁層であるフッ素化合物を含む層を圧粉鉄に形成すれば、高抵抗磁石と圧粉鉄を一体に成形することが可能となる。これはフッ素化合物を含む絶縁層が希土類磁石の磁気特性及び鉄系材の磁気特性に悪影響を及ぼさないために、フッ素化合物を含む層が接着層として働くことができるためである。

図１は本発明による高抵抗磁石モータの径方向断面形状を示す。図１において、高抵抗磁石モータの固定子２はティース４とコアバック５からなる固定子鉄心６と、ティース４間のスロット７内にはティース４を取り囲むように巻装された集中巻の電機子巻線８（三相巻線のＵ相巻線８ａ，Ｖ相巻線８ｂ，Ｗ相巻線８ｃからなる）から構成される。ここで、高抵抗磁石モータは４極６スロットであるから、スロットピッチは電気角で１２０度である。回転子はシャフト孔９あるいは回転子挿入孔１０に挿入し、回転子シャフト３の外周表面に高抵抗磁石１を配置している。固定子にはハネウェル社製METGLAS2605TCA、厚さ約２５μｍのＦｅＳｉＢのアモルファスを使用し、アモルファス薄帯を打ち抜き後、樹脂を塗布し占積率を高めるためにプレス成形している。占積率が８０％のときアモルファス積層体の飽和磁束密度は、１.２５Ｔであった。固定子２にアモルファスを使用することで、１０００rpm以上の高速回転で珪素鋼板（０.１５mmｔ）を用いた場合よりも効率が高くなることを確認している。これはアモルファスのヒステリシス損や渦電流損が珪素鋼板に比べて小さいからであり、高効率が要求されるエアコンなどの家電モータ，分散電源用発電機，ＨＥＶ駆動モータなどに適している。高抵抗磁石の抵抗は０.２〜１０ｍΩcmの範囲であり、ＮｄＦｅＢ系磁粉を溶液処理してフッ素化合物を含む層で部分的に絶縁している。このときのフッ素化合物は、ＭｇＦ₂，ＣｅＦ₂，ＰｒＦ₃，ＮｄＦ₃，ＳｍＦ₃，
ＧｄＦ₃，ＴｂＦ₃，ＤｙＦ₃，ＨｏＦ₃，ＺｒＦ₄，ＨｆＦ₄ＹｂＦ₃，ＹＦ₃などの希土類あるいはアルカリ土類元素を少なくとも１種以上含むフッ素化合物である。なお、これらのフッ素化合物に酸素，炭素あるいは窒素が混入してもその絶縁性が大きく劣化するものでなければ絶縁層として使用できる。このような高抵抗磁石を用いることで磁石の渦電流損を低減できた。

図１において、固定子に珪素鋼板（あるいは電磁鋼板）を使用し、珪素鋼板を打ち抜いた積層体を固定子鉄心６に用いた。回転子には高抵抗磁石１を外周側にリング形状で配置してある。回転子シャフト３は鉄系材，圧粉鉄であり、高抵抗磁石が極異方性磁石の場合は非磁性材でよい。図１の高抵抗磁石モータでは、高抵抗磁石１の渦電流損を小さくすることができるので、回転子と固定子の間のギャップに高い磁束を発生させても損失は低減でき、高トルク化に有利である。アモルファスに比べ、珪素鋼板の飽和磁束密度は高いので、ギャップ磁束密度も高くすることができる。高抵抗磁石の抵抗は、フッ素化合物を含む絶縁層の膜厚，絶縁層の下地層の種類及び磁石の成形条件によって変えることができる。絶縁層の厚さを厚くすると、残留磁束密度及びエネルギー積が減少するので、高残留磁束密度が必要な場合は、絶縁層の膜厚を薄くする必要がある。希土類元素あるいはアルカリ土類元素を少なくとも１種類以上含むフッ素化合物を含む絶縁層は、膜厚１０μｍ以下であることが、磁気特性確保の点で望ましい。ギャップ磁束密度が１Ｔで磁束密度の波形歪が０.５％の場合、高抵抗磁石の比抵抗と損失低減率との関係は図７のようになる。このときの高抵抗磁石はＮｄＦｅＢ系磁粉にＤｙＦ₃ を主成分とする平均膜厚１μｍの絶縁層を溶液処理により形成したものを使用した。残留磁束密度は１.２Ｔ、保磁力は２５
ｋＯｅである。比抵抗が０.２ｍΩcm 以上で損失の低減が確認できた。比抵抗が増加するにつれて損失低減率も増加することがわかる。これは磁石の高抵抗化に伴い、磁石部の渦電流損が低減されること、渦電流によるギャップ磁束への影響が小さくなったこと、及び渦電流損が小さくなったための温度上昇抑制効果などが働いていると考えられる。

図２において、高抵抗磁石モータの固定子２はティース４とコアバック５からなる固定子鉄心６と、ティース４間のスロット７内にはティース４を取り囲むように巻装された集中巻の電機子巻線８（三相巻線のＵ相巻線８ａ，Ｖ相巻線８ｂ，Ｗ相巻線８ｃからなる）から構成される。ここで、高抵抗磁石モータは４極６スロットであるから、スロットピッチは電気角で１２０度である。回転子はシャフト孔９あるいは回転子挿入孔１０に挿入し、回転子シャフト３の外周側に高抵抗磁石１を配置している。図２において、固定子に珪素鋼板（あるいは電磁鋼板）を使用し、珪素鋼板を打ち抜いた積層体を固定子鉄心６に用いた。回転子には高抵抗磁石１を外周側にリング形状で配置してある。回転子シャフト３は鉄系材であり、高抵抗磁石１はラジアル異方性磁石である。図２の高抵抗磁石モータでは、高抵抗磁石１の渦電流損を小さくすることができるので、回転子と固定子の間のギャップに高い磁束を発生させても損失は低減でき、高トルク化に有利である。高抵抗磁石１のエネルギー積を変えることでギャップ磁束密度を変えることができ、高抵抗磁石と通常の焼結磁石とを比較して損失の差を調べた。その結果を図３に示す。損失低減効果は0.1Ｔの磁束密度以上の場合に認められ、磁束密度が高くなるほど、高抵抗磁石による低減率が大きくなった。この時の高抵抗磁石１の比抵抗は１.５ｍΩcm であり、さらに高い抵抗の場合損失低減も大きくすることができる。このような損失低減効果は極数あるいはスロット数が多いほど顕著になる。

図５および図６において、高抵抗磁石モータの固定子２はティース４とコアバック５からなる固定子鉄心６と、ティース４間のスロット７内にはティース４を取り囲むように巻装された集中巻の電機子巻線８（三相巻線のＵ相巻線８ａ，Ｖ相巻線８ｂ，Ｗ相巻線８ｃからなる）から構成される。ここで、高抵抗磁石モータは４極６スロットであるから、スロットピッチは電気角で１２０度である。回転子はシャフト孔９あるいは回転子挿入孔
１０に挿入し、回転子シャフト３の特定位置に高抵抗磁石１を配置している。図５の場合、高抵抗磁石１の異方性の方向は短辺に平行にし、アモルファス，電磁鋼板の積層体あるいは圧粉鉄などで作成されたシャフトの孔に挿入する。図６の場合は、リラクタンストルクを多く活用できる構造としており、高抵抗磁石１の断面は単純形状ではなく、アーク形状となっている。高抵抗磁石の加工品を挿入することができるが、高抵抗磁石の原料となるフッ素化合物を含む磁粉と樹脂の混合物を磁石位置に磁石加工することなく、軟磁性材の積層体あるいは圧粉鉄に直接挿入することも可能である。このような回転子の磁束密度波形歪と高抵抗磁石を用いた場合の損失低減率との関係を図４に示す。ギャップの磁束密度は１Ｔであり、磁石の比抵抗は１.５ｍΩcmである。損失低減は磁束密度波形歪が０.１％異常で認められ、波形歪が多いほど損失低減率が大きくなる。これは、波形歪が大きい場合、磁束密度波形に高調波を含み低抵抗の場合渦電流損が発生し易くなるが、磁石の高抵抗化により渦電流損と渦電流に起因する損失を低減することが可能であることを示している。このことは、ギャップ磁束密度の波形が高周波になるほど、磁束密度が高いほど渦電流損低減効果が顕著になり、磁石の発熱を防止することが可能となる。

高抵抗磁石モータの径方向断面形状。高抵抗磁石モータの径方向断面形状。高抵抗磁石モータの損失低減率と磁束密度の関係。高抵抗磁石モータの損失低減率と磁束密度波形歪の関係。高抵抗磁石モータの径方向断面形状。高抵抗磁石モータの径方向断面形状。高抵抗磁石モータの損失低減率と比抵抗の関係。

符号の説明

１…高抵抗磁石、２…固定子、３…回転子シャフト、４…ティース、５…コアバック、６…固定子鉄心、７…スロット、８…電機子巻線、９…シャフト孔、１０…回転子挿入孔、１０１…珪素鋼板、１０２…軟磁性材。

Claims

磁石磁界を利用するモータにおいて、前記磁石が希土類元素あるいはアルカリ土類元素の少なくとも１つの元素を含むフッ素化合物を含む層で部分的に絶縁され、固定子と回転子間のギャップにおける磁束密度が０.１Ｔ以上であることを特徴とする高抵抗磁石モータ。
磁石磁界を利用するモータにおいて、前記磁石が希土類元素あるいはアルカリ土類元素の少なくとも１つの元素を含むフッ素化合物を含む層で部分的に絶縁され、前記磁石の比抵抗が０.２ｍΩcm 以上であることを特徴とする高抵抗磁石モータ。
磁石磁界を利用するモータにおいて、回転子あるいは固定子を構成する磁石及び軟磁性材の一部または全てが希土類元素あるいはアルカリ土類元素の少なくとも１つの元素を含むフッ素化合物を含む層で部分的に絶縁されていることを特徴とする高抵抗磁石モータ。