JP2009027847A - 永久磁石およびこれを用いた埋込磁石型モータ - Google Patents

Abstract

【課題】埋込磁石型モータに好適に用いることができ、モータの小型化、高出力化を図ることが可能な永久磁石を提供すること。
【解決手段】モータのロータ内部に埋め込まれる永久磁石であって、保磁力の異なる複数の磁石材料を寄せ合わせて板状に一体的に形成されており、ロータ内部に埋め込まれた際、ロータ表面に最も近接する部分には、上記磁石材料のうち、最も高い保磁力を示す磁石材料より形成された高保磁力部を少なくとも存在させ、当該磁石の磁化容易軸を、板面に略垂直な方向に配向させる。
【選択図】図６

Description

本発明は、永久磁石およびこれを用いた埋込磁石型モータに関するものである。

近年、ハイブリッド自動車（ＨＥＶ）、大型ＡＣサーボなどに組み込まれるモータの需要が増加している。

例えば、自動車分野等では、燃費改善、室内空間の確保、排出ガスの低減などの要求が高まっており、車載されるという観点から、従来よりも小型で高出力な高性能のモータが求められている。

この種のモータとしては、ロータ表面に永久磁石を貼り付けた表面磁石型（Surface Permanent Magnet）モータ（ＳＰＭモータ）、ロータ内部に永久磁石を埋め込んだ埋込磁石型（Internal Permanent Magnet）モータ（ＩＰＭモータ）などが知られている。

後者の埋込磁石型モータは、前者の表面磁石型モータに比較して、マグネットトルクのみならず、リラクタンストルクをも有効に利用することができる。そのため、広いモータ回転数にわたってモータの効率を高めやすいという長所がある。

モータの高性能化を図ろうとした場合、少ない体積でモータトルクを実現することが重要である。しかし、一般に、モータトルクは、モータ直径の２乗に比例して大きくなり、長さに比例して大きくなる。したがって、モータを単に小型化すれば、大きなトルクが得られず、それに伴い出力も低下してしまう。

そのため、モータの高性能化には、用いられる永久磁石の磁力を向上させることが一般的な手法となる。

磁力の大きな磁石材料としては、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系などが知られている。従来、このような磁石材料によって構成された単一成分の永久磁石がモータに広く用いられてきた。

最近では、異なる磁石材料を組み合わせて永久磁石を構成し、これをモータに用いる提案もなされるようになってきている。

例えば、特許文献１には、第一の磁石と、第一の磁石を囲繞する第二の磁石とからなり、第一の磁石は、磁束密度が相対的に高く、保磁力が相対的に低い材料から構成されており、第二の磁石は、磁束密度が相対的に低く、保磁力が相対的に高い材料から構成された永久磁石が開示されている。また、特許文献１には、その永久磁石をロータ内部に埋め込んだ埋込磁石型モータが開示されている。

第一の磁石材料としては、具体的には、保磁力が１０〜２０ｋＯｅのネオジム、第二の磁石材料としては、保磁力が２０ｋＯｅよりも大きなネオジムにジスプロシウムを添加した材料を用いる点が記載されている。

特開２００６−２６１４３３号公報

ところで、モータに組み込まれる永久磁石は、モータの使用環境温度、磁石へ印加される反磁界などによる減磁により、モータ使用中に磁力の低下が生じやすい。そのため、モータに用いる永久磁石は、これらに耐えうる保磁力を有している必要がある。

しかしながら、磁石の保磁力（ｉＨｃ）と磁束密度（Ｂ）との関係は、一方が大きくなると他方が小さくなるといった、トレードオフの関係になっている。

そのため、従来広く用いられてきた単一成分からなる永久磁石を使用する場合、磁石使用環境、モータ構造が決まった時点で、それに必要な保磁力（ｉＨｃ）を確保しようとすれば、それに伴い磁束密度（Ｂ）が定まり、その結果、磁石の大きさがほぼ確定する。

この場合、大きな保磁力を必要とすれば、残留磁束密度が小さくなるため、モータ体積（磁石体積）を小さくし難く、モータの小型化、高出力化は困難を極める。

なお、特許文献１の永久磁石は、第二の磁石が第一の磁石を囲繞する構造を採用しているが、モータの小型化、高出力化を図る上では、さらなる改良の余地がある。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたもので、本発明が解決しようとする課題は、埋込磁石型モータに好適に用いることができ、モータの小型化、高出力化を図ることが可能な永久磁石を提供することにある。また、この永久磁石を用いた埋込磁石型モータを提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明に係る永久磁石は、モータのロータ内部に埋め込まれる永久磁石であって、保磁力の異なる複数の磁石材料を寄せ合わせて板状に一体的に形成されており、上記ロータ内部に埋め込まれた際、ロータ表面に最も近接する部分には、上記磁石材料のうち、最も高い保磁力を示す磁石材料より形成された高保磁力部が少なくとも存在し、当該磁石の磁化容易軸が、板面に略垂直な方向に配向していることを要旨とする。

具体的には、本発明に係る第１の永久磁石は、上記高保磁力部が、モータのステータに対向する上記板面に接する磁石両縁部全体にわたって存在しており、これら両高保磁力部の間は、上記高保磁力部を形成する磁石材料よりも低い保磁力を示す磁石材料より形成されていることを要旨とする。

また、本発明に係る第２の永久磁石は、磁石厚み方向に複数の磁石層が積層されてなる積層構造を有し、上記各磁石層の保磁力は、ロータ中心部側からモータのステータ側に向かって順に高く設定されていることを要旨とする。

また、本発明に係る第３の永久磁石は、磁石厚み方向に複数の磁石層が積層されてなる積層構造を有し、上記各磁石層の保磁力は、ロータ中心部側からモータのステータ側に向かって順に高く設定されており、上記ステータに対向する磁石層は、その層両縁部の全体にわたって上記高保磁力部が存在しており、これら両高保磁力部の間は、上記高保磁力部を形成する磁石材料よりも低い保磁力を示す磁石材料より形成されていることを要旨とする。

また、本発明に係る第４の永久磁石は、ロータ中心部を中心とした略同心円状に複数の磁石層が積層されてなる積層構造を有し、上記各磁石層の保磁力は、ロータ中心部側からモータのステータ側に向かって順に高く設定されていることを要旨とする。

上記永久磁石の磁石材料としては、Ｒ−Ｘ１−Ｘ２系磁石材料（但し、Ｒ：Ｎｄ、Ｐｒ、Ｄｙ、ＴｂおよびＨｏから選択される１種または２種以上の希土類元素、Ｘ１：Ｆｅおよび／またはＣｏ、Ｘ２：Ｂおよび／またはＣ）を好適に用いることができる。

一方、本発明に係る埋込磁石型モータは、上記本発明に係る永久磁石がロータ内部に埋め込まれていることを要旨とする。

本発明に係る永久磁石は、保磁力の異なる複数の磁石材料を寄せ合わせて板状に一体的に形成されており、ロータ内部に埋め込まれた際、ロータ表面に最も近接する部分には、上記磁石材料のうち、最も高い保磁力を示す磁石材料より形成された高保磁力部が少なくとも存在する。

埋込磁石型モータでは、ロータ内部に埋め込まれた際、ロータ表面に最も近接する部分が、最も大きな反磁界が印加されるため磁束密度が低下しやすいが、本発明に係る永久磁石によれば、この部分に、相対的に最も高い保磁力を示す磁石材料が配置されている。

そのため、その他の部分については、相対的に低い保磁力を示す磁石材料が配置されることになり、磁石全体として高い磁力が得られることになる。

その結果、単一成分の磁石材料からなる永久磁石に比べ、永久磁石の体積を小さくすることが可能となり、埋込磁石型モータの小型化、高出力化を図ることが可能になる。

また、上記永久磁石は、熱間押出し加工を用いた成形で製造することが可能であることから、磁石製造性にも優れる。

この際、第１の永久磁石によれば、用いる磁石材料の数が最も少なくて済む。そのため、磁石の製造が容易になって、製造コストを低減しやすくなる。

また、板状の永久磁石における磁石厚み方向については、ロータ中心部側からモータのステータ側に向かって、磁束密度が低下しやすい傾向がある。

そのため、上記第２の永久磁石の構成を採用した場合、各磁石層内におけるロータ表面からロータ中心部方向への距離の分布を完全に一致させることはできないものの、簡易な積層構造を用いて、ロータ表面から等距離になる領域と各磁石層とを重複させることができる。

そのため、おおよそ磁束密度の高低の分布に合わせて、各磁石層に必要な保磁力を細かく調整することが可能となる。

また、上記第３の永久磁石によれば、ステータに対向する磁石層の層両縁部の全体にわたって局所的に保磁力を高めつつ、上記第２の永久磁石と同様に、おおよそ磁束密度の高低の分布に合わせて、他の各磁石層について必要な保磁力を細かく調整することが可能となる。

また、上記第４の永久磁石によれば、ロータ表面からロータ中心部方向への距離の分布を各磁石層内においてほぼ完全に一致させることができる。そして、各磁石層の保磁力は、ロータ中心部側からモータのステータ側に向かって順に高く設定されている。これにより、磁束密度の高低の分布に一致させて、各磁石層に必要な保磁力を細かく調整することが可能となる。

上記永久磁石を構成する複数の磁石材料を、Ｒ−Ｘ１−Ｘ２系磁石材料（但し、Ｒ：Ｎｄ、Ｐｒ、Ｄｙ、ＴｂおよびＨｏから選択される１種または２種以上の希土類元素、Ｘ１：Ｆｅおよび／またはＣｏ、Ｘ２：Ｂおよび／またはＣ）から選択して用いた場合には、必要な保磁力を確保しやすく、高い磁力を有する磁石を得やすくなる。すなわち、Ｒ成分の含有量、Ｒ成分の構成比率により広い範囲で保磁力設計をしやすく、磁石の最適箇所に必要最低限の保磁力成分を配置することで磁石全体の磁力を向上させることができる。

一方、本発明に係る埋込磁石型モータは、上記本発明に係る永久磁石がロータ内部に埋め込まれている。そのため、小型で高出力なモータとなる。したがって、ハイブリッド自動車（ＨＥＶ）、電気自動車（ＥＶ）、燃料電池自動車（ＦＣＥＶ）、大型ＡＣサーボなどに好適である。

以下、本発明に係る永久磁石（以下、「本永久磁石」ということがある。）、本発明に係る埋込磁石型モータ（以下、「本モータ」ということがある。）について詳細に説明する。

図１は、本発明に係る永久磁石を備えた、本発明に係る埋込磁石型モータの断面構造の一例を示した図である。図１に示すように、本モータ１０は、ステータ１２と、ロータ１４とを備えている。

ステータ１２は、全体的に略円筒状に形成されており、外形を形成するヨーク１２ａと、ヨーク１２ａの内周面から径方向に向かって延設された複数のティース１２ｂと、ティース１２ｂに巻回された巻線１２ｃ（図１中、一部のみ図示）とを備えている。

ロータ１４は、全体的に略円柱形状に形成されたロータコア１４ａと、ロータコア１４ａの内部に埋め込まれた板状の永久磁石Ｍ（図１では、磁石構成を省略して図示）とを備えている。なお、図１では、本モータ１０は、永久磁石Ｍが４つ埋め込まれているが、その数は特に限定されるものではない。

ステータ１２とロータ１４とは、ステータ１２のティース１２ｂの先端部と、ロータ１４の永久磁石Ｍの表面との間に所定の隙間（ギャップ）１６を介して、略同軸に対向配置されている。

上述したように、本永久磁石は、ロータ内部に埋め込まれて配置される磁石である。なお、永久磁石の埋込形態は、図１に示したように、ロータ径方向と磁石板面とがほぼ直交するような配置に限定されるわけではない。例えば、図２に示すように、ロータ径方向と磁石板面とがほぼ平行となるように永久磁石を配置しても良いし、図３に示すように、図１と図２との組み合わせであっても良い。さらには、図４に示すように、略ハの字状に配置しても良いし、図５に示すように、略Ｖ字状に配置しても良い（上記図２〜図５では、図１同様に磁石構成を省略して図示）。上記配置は、磁石により発生するトルクとリラクタンス差により発生するトルクの比率を使用回転数域、効率分布などの要因等を考慮して最適な配置を選択することができる。

ここで、本永久磁石は、保磁力（ｉＨｃ）の異なる複数の磁石材料を寄せ合わせて板状に一体的に形成されている。つまり、本永久磁石は、磁石特性を考慮すると、典型的には、保磁力（ｉＨｃ）、残留磁束密度（Ｂｒ）が異なる複数の磁石材料から構成されていることになる。

もっとも、磁石組成の選択の仕方によっては、保磁力が異なっていても残留磁束密度が一致することもあり得る。そのため、本永久磁石は、少なくとも保磁力の異なる複数の磁石材料より形成されておれば、各磁石材料間で残留磁束密度が一致していても構わない。

本永久磁石は、ロータ内部に埋め込まれた際、ロータ表面に最も近接する部分に、上記複数の磁石材料のうちで、最も高い保磁力を示す磁石材料より形成された高保磁力部が、少なくとも存在している。

例えば、図１、図４のような磁石配置であれば、永久磁石内で、ロータ表面に最も近接する部分は、ステータ側の磁石板面に接する両縁部である。また、図２、図５のような磁石配置であれば、永久磁石内で、ロータ表面に最も近接する部分は、ステータ側の磁石片端部である。

本永久磁石Ｍにおいて、上記高保磁力部は、モータ軸と略平行な方向（図１〜５において紙面に垂直な方向）に連続的に存在しても良いし、不連続な部分があっても良い。好ましくは、磁石性能の安定性などの観点から、高保磁力部は、モータ軸と略平行な方向に連続的に存在していると良い。

本永久磁石において、高保磁力部を存在させる部分以外の部分（以下、「残余部分」ということがある。）については、基本的には、上記複数の磁石材料のうち、最も高い保磁力を示す磁石材料以外の磁石材料（以下、「残余の磁石材料」ということがある。）により形成されることになる。

本永久磁石において、残余の磁石材料の配置は特に限定されるものではない。好ましくは、磁石全体として高い磁力を効率良く得ることができるなどの観点から、ロータ表面に近い位置ほど、保磁力が大きくなる（残留磁束密度が小さくなる）ように、残余の磁石材料を配置すると良い。

具体的には、以下の通りである。すなわち、第１の磁石材料［ｉＨｃ_１、Ｂｒ_１］、第２の磁石材料［ｉＨｃ_２、Ｂｒ_２］、第３の磁石材料［ｉＨｃ_３、Ｂｒ_３］があり、各保磁力の関係が、ｉＨｃ_１＞ｉＨｃ_２＞ｉＨｃ_３であるとする。そうすると、磁石特性から、基本的には、各残留磁束密度Ｂｒの関係は、Ｂｒ_３＞Ｂｒ_２＞Ｂｒ_１となる。

本永久磁石が、第１の磁石材料、および、第２の磁石材料の２つからなる場合、例えば、高保磁力部は、第１の磁石材料より構成し、残余部分は、第２の磁石材料より構成すれば良い。

本永久磁石が、第１の磁石材料、第２の磁石材料、および、第３の磁石材料の３つからなる場合、例えば、高保磁力部は、第１の磁石材料より構成し、残余部分は、第２の磁石材料、第３の磁石材料より構成すれば良い。この場合、第３の磁石材料よりも保磁力の大きい第２の磁石材料は、第３の磁石材料よりもロータ表面に近い部分に配置するのが好ましい。これは例えば、磁石厚み方向に複数の磁石層を形成したり、ロータ中心部を中心とした略同心円状に複数の磁石層を形成したりし、ステータ側により近い磁石層に第２の磁石材料を配置するなどすれば、実現することができる。

本永久磁石を構成する複数の磁石材料としては、Ｒ−Ｘ１−Ｘ２系磁石材料（但し、Ｒ：Ｎｄ、Ｐｒ、Ｄｙ、ＴｂおよびＨｏから選択される１種または２種以上の希土類元素、Ｘ１：Ｆｅおよび／またはＣｏ、Ｘ２：Ｂおよび／またはＣ）などを好適なものとして用いることができる。モータ性能などを考慮し、保磁力が異なるように適宜選択して用いることができる。

好ましくは、高い飽和磁化と高い異方性磁界とを兼ね備え、磁力が強力であるなどの観点から、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系磁石材料を好適に用いることができる。

本永久磁石は、当該磁石の磁化容易軸が、板面に略垂直な方向に配向している。磁化容易軸とは、磁石材料に外部磁界を加えたとき、磁化されやすい方向のことである。当該磁石の磁化容易軸を、板面に略垂直な方向に配向させるためには、例えば、押出加工時の最大圧縮方向が板面に略垂直な方向と平行になるようにすれば良い。

本永久磁石は、例えば、以下のようにして製造することができる。すなわち、先ず、保磁力の異なる複数の磁石材料を寄せ合わせて一体化した予備成形体を成形する。この際、予備成形体のうち、高保磁力部になりうる部分には、上記複数の磁石材料のうち、最も高い保磁力を示す磁石材料を配置する。

なお、予備成形体の形状は、当初から本永久磁石と同じ形状にはなっていないことが多いが、同じ形状になっていても良い。加工による変形により発生する歪みで、高い異方性を発現させる、成形性、その後の加工性などの観点から、予備成形体の形状は、立方体、直方体などの四角柱形状などが好ましい。

かかる予備成形体は、例えば、金型内を所定の領域に区画し、区画された各空隙に、所定の各磁石粉末材料を充填し、冷間プレスした後、更に６００℃〜９００℃でホットプレスをするなどして成形することができる。

他の方法としては、例えば、圧延加工などにより、各磁石粉末材料より部分成形体を成形し、これらを貼り合わせるなどしても良い。

各磁性粉末材料は、所定組成となるように配合した原料を溶解して得られた溶湯を、回転ロールに噴出させて、急冷薄片体を形成し、これを成形に最適な粒径に粉砕するなどして準備することができる。

次いで、得られた予備成形体を、板状になるように押出加工する。

この工程では、予備成形体の厚み、幅、長さ（高さ）と、得られる永久磁石の厚み、幅、長さ（高さ）とが、それぞれ、ほぼ同じ方向に揃うように、押出金型内に予備成形体を配置し、その後これを押し出せば良い。

そうすると、予備成形体の押出し断面の厚み方向の寸法が絞られるとともに、この厚み方向と直交する幅方向の寸法が拡げられるように押し出される。

これにより、板面に略垂直な方向に磁化容易軸方向が配向した永久磁石が得られる。

上記押出加工時の温度は、用いた磁石材料の種類などによっても異なるが、十分に密度を上げることができれば、特に限定されるものではない。

上記押出加工時の温度は、好ましくは、７００〜９００℃の範囲内、より好ましくは、７５０〜８５０℃の範囲内であると良い。

次いで、得られた押出体を周知の方法により着磁すれば、本永久磁石を得ることができる。

次に、第１実施形態に係る永久磁石Ｍ_１、第２実施形態に係る永久磁石Ｍ_２、第３実施形態に係る永久磁石Ｍ_３、第４実施形態に係る永久磁石Ｍ_４を用いて、本発明に係る永久磁石Ｍをより具体的に説明する。なお、以下では、上記永久磁石Ｍ_１〜Ｍ_４を、図１などに示すように、磁石板面がロータ径方向と略垂直になるように好適に配置する場合について説明する。

（第１実施形態）
図６は、第１実施形態に係る永久磁石Ｍ_１について示した図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は外観図、（ｃ）は永久磁石Ｍ_１の作製に供する予備成形体の一例である。

図６（ａ）（ｂ）に示すように、第１実施形態に係る永久磁石Ｍ_１は、モータのステータに対向する板面Ｓに接する磁石両縁部全体にわたって高保磁力部Ａ_１が存在している。

これら両高保磁力部Ａ_１の間は、高保磁力部Ａ_１を形成する磁石材料よりも低い保磁力を示す磁石材料より形成された低保磁力部Ｂ_１とされている。

なお、永久磁石Ｍ_１の磁化容易軸は、板面Ｓに略垂直な方向に配向している（図６（ａ）中の矢印方向、以下、永久磁石Ｍ_２〜Ｍ_４では省略する。）。

高保磁力部Ａ_１を形成する磁石材料［ｉＨｃ（Ａ_１）、Ｂｒ（Ａ_１）］、低保磁力部Ｂ_１を形成する磁石材料［ｉＨｃ（Ｂ_１）、Ｂｒ（Ｂ_１）］とすると、各保磁力の関係は、ｉＨｃ（Ａ_１）＞ｉＨｃ（Ｂ_１）となっている。また、磁石特性から、各残留磁束密度Ｂｒの関係は、Ｂｒ（Ｂ_１）＞Ｂｒ（Ａ_１）となっている。

上記構成の永久磁石Ｍ_１は、用いる磁石材料の数が最も少なくて済む。そのため、磁石の製造が容易になって、製造コストを低減しやすくなるなどの利点がある。

図７は、熱間押出加工により、永久磁石Ｍ_１を作製する様子を示した図である。図７中、押出方向はＺ方向である。

上記永久磁石Ｍ_１は、例えば、図７に示すように、略角形状の予備成形体Ｍ_１’を押出金型（不図示）内にセットし、予備成形体Ｍ_１’を８００℃程度の温度で押し出すことにより得ることができる。

より具体的には、図６に示すように、予備成形体Ｍ_１’の各寸法を、厚みＴ’、幅Ｗ’、長さＬ’とする。また、永久磁石Ｍ_１の各寸法を、厚みＴ、幅Ｗ、長さＬとする。

この場合、図７に示すように、予備成形体Ｍ_１’と永久磁石Ｍ_１とを、Ｘ方向にＴ’とＴ、Ｙ方向にＷ’とＷ、Ｚ方向にＬ’とＬがほぼ揃うように配置し、その後押出しを行う。

そうすると、予備成形体Ｍ_１’の押出し断面のＸ方向の寸法が絞られるとともに、このＸ方向と直交するＹ方向の寸法が拡げられるように押し出され、永久磁石Ｍ_１が得られる。

この際、Ｙ方向の寸法を拡げる量は、ひずみ比ε_２／ε_１＝ｌｎ（Ｗ／Ｗ’）／／ｌｎ（Ｌ／Ｌ’）が、好ましくは、０．２〜３．５の範囲内、より好ましくは、０．４〜１．６の範囲内、最も好ましくは、０．９〜１．１となるよう寸法を設定すると良い。（但し、ｌｎは自然対数である。）。

これにより、図６（ａ）に示すように磁化容易軸方向が、板面Ｓに略垂直な方向に配向した永久磁石Ｍ_１を得ることができる。

なお、上記予備成形体Ｍ_１’は、高保磁力部Ａ_１となりうる磁石粉末材料Ａ_１’、低保磁力部Ｂ_１となりうる磁石粉末材料Ｂ_１’を、永久磁石Ｍ_１の配置関係と対応させた状態で金型内に配置し、冷間プレスした後、更に８００℃程度でホットプレスをするなどすれば、成形することができる。

上記永久磁石Ｍ_１において、高保磁力部Ａ_１を存在させる領域は、特に限定されるものではなく、モータに要求される出力、用いる磁石材料の組成などに応じて最適な領域とすれば良い。

（第２実施形態）
図８は、第２実施形態に係る永久磁石Ｍ_２について示した図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は外観図、（ｃ）は永久磁石Ｍ_２の作製に供する予備成形体の一例である。

図８（ａ）（ｂ）に示すように、第２実施形態に係る永久磁石Ｍ_２は、磁石厚み方向に複数の磁石層（ここでは、磁石層Ａ_２、磁石層Ｂ_２、磁石層Ｃ_２の３層）が積層されてなる積層構造を有している。

そして、各磁石層Ａ_２〜Ｃ_２の保磁力は、ロータ中心部側からモータのステータ側（板面Ｓ側）に向かって順に高く設定されている。

すなわち、磁石層Ａ_２を形成する磁石材料［ｉＨｃ（Ａ_２）、Ｂｒ（Ａ_２）］、磁石層Ｂ_２を形成する磁石材料［ｉＨｃ（Ｂ_２）、Ｂｒ（Ｂ_２）］、磁石層Ｃ_２を形成する磁石材料［ｉＨｃ（Ｃ_２）、Ｂｒ（Ｃ_２）］とすると、各保磁力の関係は、ｉＨｃ（Ａ_２）＞ｉＨｃ（Ｂ_２）＞ｉＨｃ（Ｃ_２）となっている。また、磁石特性から、各残留磁束密度Ｂｒの関係は、Ｂｒ（Ｃ_２）＞Ｂｒ（Ｂ_２）＞Ｂｒ（Ａ_２）となっている。

上記構成の永久磁石Ｍ_２は、最も磁束密度が低下しやすい、モータのステータに対向する板面Ｓに接する両縁部分以外に、さらに、次に磁束密度が低下しやすい板面Ｓ側の表層についても、相対的に高い保磁力の磁石材料で形成されている。また、磁石厚み方向で見た場合、ロータ中心部側からモータのステータ側（板面Ｓ側）に向かって、順に保磁力が高くなるような層構成になっている。

そのため、上記構成の永久磁石Ｍ_２は、各磁石層内におけるロータ表面からロータ中心部方向への距離の分布を完全に一致させることはできないが、簡易な積層構造を用いて、ロータ表面から等距離になる領域と各磁石層とを重複させることができる。それ故、おおよそ磁束密度の高低の分布に合わせて、各磁石層に必要な保磁力を細かく調整することができる。

なお、上記永久磁石Ｍ_２は、例えば、図８（ｃ）に示した予備成形体Ｍ_２’を用いて、上記永久磁石Ｍ_１と同様に作製することができる。また、予備成形体Ｍ_２’は、磁石層Ａ_２となりうる磁石粉末材料Ａ_２’、磁石層Ｂ_２となりうる磁石粉末材料Ｂ_２’、磁石層Ｃ_２となりうる磁石粉末材料Ｃ_２’を用いて、上記予備成形体Ｍ_１’と同様に作製することができる。

（第３実施形態）
図９は、第３実施形態に係る永久磁石Ｍ_３について示した図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は外観図、（ｃ）は永久磁石Ｍ_３の作製に供する予備成形体の一例である。

図９（ａ）（ｂ）に示すように、第３実施形態に係る永久磁石Ｍ_３は、磁石厚み方向に複数の磁石層（ここでは、磁石層Ａ_３、磁石層Ｂ_３、磁石層Ｃ_３の３層）が積層されてなる積層構造を有している。

また、各磁石層Ａ_３〜Ｃ_３の保磁力は、ロータ中心部側からモータのステータ側（板面Ｓ側）に向かって順に高く設定されている。

そして、少なくとも、ステータに対向する磁石層Ａ_３は、その層両縁部の全体にわたって高保磁力部ａ_３１が存在している。また、これら両高保磁力部ａ_３１の間には、高保磁力部ａ_３１を形成する磁石材料よりも低い保磁力を示す磁石材料より形成された低保磁力部ａ_３２が存在している

すなわち、磁石層Ａ_３の高保磁力部ａ_３１を形成する磁石材料［ｉＨｃ（Ａ_３・ａ_３１）、Ｂｒ（Ａ_３・ａ_３１）］、磁石層Ａ_３の低保磁力部ａ_３２を形成する磁石材料［ｉＨｃ（Ａ_３・ａ_３２）、Ｂｒ（Ａ_３・ａ_３２）］、磁石層Ｂ_３を形成する磁石材料［ｉＨｃ（Ｂ_３）、Ｂｒ（Ｂ_３）］、磁石層Ｃ_３を形成する磁石材料［ｉＨｃ（Ｃ_３）、Ｂｒ（Ｃ_３）］とすると、各保磁力の関係は、ｉＨｃ（Ａ_３・ａ_３１）＞ｉＨｃ（Ａ_３・ａ_３２）＞ｉＨｃ（Ｂ_３）＞ｉＨｃ（Ｃ_３）となっている。また、磁石特性から、各残留磁束密度Ｂｒの関係は、Ｂｒ（Ｃ_３）＞Ｂｒ（Ｂ_３）＞Ｂｒ（Ａ_３・ａ_３２）＞Ｂｒ（Ａ_３・ａ_３１）となっている。

上記永久磁石Ｍ_３は、永久磁石Ｍ_１、永久磁石Ｍ_２をほぼ組み合わせた構造になっている。上記永久磁石Ｍ_３によれば、ステータに対向する磁石層の層両縁部の全体にわたって局所的に保磁力を高めつつ、上記永久磁石Ｍ_２と同様に、おおよそ磁束密度の高低の分布に合わせて、他の各磁石層について必要な保磁力を細かく調整することができる。

なお、上記永久磁石Ｍ_３は、例えば、図９（ｃ）に示した予備成形体Ｍ_３’を用いて、上記永久磁石Ｍ_１と同様に作製することができる。また、予備成形体Ｍ_３’は、磁石層Ａ_３の高保磁力部ａ_３１となりうる磁石粉末材料ａ_３１’、磁石層Ａ_３の低保磁力部ａ_３２となりうる磁石粉末材料ａ_３２’、磁石層Ｂ_３となりうる磁石粉末材料Ｂ_３’、磁石層Ｃ_３となりうる磁石粉末材料Ｃ_３’を用いて、上記予備成形体Ｍ_１’と同様に作製することができる。

（第４実施形態）
図１０は、第４実施形態に係る永久磁石Ｍ_４について示した図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は外観図、（ｃ）は永久磁石Ｍ_４の作製に供する予備成形体の一例である。

図１０（ａ）（ｂ）に示すように、第４実施形態に係る永久磁石Ｍ_４は、ロータ中心部を中心とした略同心円状に複数の磁石層（ここでは、磁石層Ａ_４、磁石層Ｂ_４、磁石層Ｃ_４、磁石層Ｄ_４、磁石層Ｅ_４の５層）が積層されてなる積層構造を有している。この際、磁石層Ａ_４は、板面Ｓに接する磁石両端部に配置されている。

また、各磁石層Ａ_４〜Ｅ_４の保磁力は、ロータ中心部側からモータのステータ側（板面Ｓ側）に向かって順に高く設定されている。

すなわち、磁石層Ａ_４を形成する磁石材料［ｉＨｃ（Ａ_４）、Ｂｒ（Ａ_４）］、磁石層Ｂ_４を形成する磁石材料［ｉＨｃ（Ｂ_４）、Ｂｒ（Ｂ_４）］、磁石層Ｃ_４を形成する磁石材料［ｉＨｃ（Ｃ_４）、Ｂｒ（Ｃ_４）］、磁石層Ｄ_４を形成する磁石材料［ｉＨｃ（Ｄ_４）、Ｂｒ（Ｄ_４）］、磁石層Ｅ_４を形成する磁石材料［ｉＨｃ（Ｅ_４）、Ｂｒ（Ｅ_４）］とすると、各保磁力の関係は、ｉＨｃ（Ａ_４）＞ｉＨｃ（Ｂ_４）＞ｉＨｃ（Ｃ_４）＞ｉＨｃ（Ｄ_４）＞ｉＨｃ（Ｅ_４）となっている。また、磁石特性から、各残留磁束密度Ｂｒの関係は、Ｂｒ（Ｅ_４）＞Ｂｒ（Ｄ_４）＞Ｂｒ（Ｃ_４）＞Ｂｒ（Ｂ_４）＞Ｂｒ（Ａ_４）となっている。

上記永久磁石Ｍ_４は、永久磁石Ｍ_３に比較して、ロータ表面からロータ中心部方向への距離の分布を各磁石層内においてほぼ完全に一致させることができる。そのため、磁束密度の高低の分布に一致させて、各磁石層に必要な保磁力を細かく調整することができる。

なお、上記永久磁石Ｍ_４は、例えば、図１０（ｃ）に示した予備成形体Ｍ_４’を用いて、上記永久磁石Ｍ_１と同様に作製することができる。また、予備成形体Ｍ_４’は、磁石層Ａ_４となりうる磁石粉末材料Ａ_４’、磁石層Ｂ_４となりうる磁石粉末材料Ｂ_４’、磁石層Ｃ_４となりうる磁石粉末材料Ｃ_４’、磁石層Ｄ_４となりうる磁石粉末材料Ｄ_４’、磁石層Ｅ_４となりうる磁石粉末材料Ｅ_４’を用いて、上記予備成形体Ｍ_１’と同様に作製することができる。

上記では、図１などに示すように、磁石板面がロータ径方向と略垂直な方向となるように永久磁石を配置する場合について、具体的な磁石構成を例示したが、本発明に係る永久磁石は、このような配置に限定されるものではない。

例えば、図２などに示したように、磁石板面がロータ径方向と略平行になるように永久磁石を配置する場合には、図１１（ａ）（ｂ）に示す永久磁石Ｍ_５やＭ_６にように、ロータ表面に最も近接する部分に、高保磁力部Ａ_５やＡ_６を配置し、残りの部分については、上述した永久磁石Ｍ_１〜Ｍ_４に準じて、高保磁力部Ａ_５やＡ_６よりも保磁力の小さい磁石材料で構成すれば良い（Ｂ_５やＢ_６、Ｃ_６、Ｄ_６、Ｅ_６）。 なお、これらの場合には、隣接して配置された永久磁石間で各磁力同士が反発するため、その結果として、ロータ径方向に磁束を向けることが可能である。

図１１（ａ）に示す永久磁石Ｍ_５は、次のようにして得ることができる。すなわち、図１２（ａ）に示すような予備成形体Ｍ_５’（Ａ_５’：高保磁力部Ａ_５となりうる磁石粉末材料、Ｂ_５’：低保磁力部Ｂ_５’となりうる磁石粉末材料）を、図１２（ｂ）に示すように、Ｙ方向の寸法が絞られ、Ｙ方向と直交するＸ、Ｚ方向の寸法が拡げられるように押し出し、その後、Ｘ方向に沿って所定の大きさに切り出せば（図１２（ｂ）中の破線部）、磁化容易軸が板面に略垂直な永久磁石Ｍ_５を得ることができる。図１１（ｂ）に示す永久磁石Ｍ_６もこれと同様にして作製することができる。

また、例えば、図４、図５などに示したように、磁石板面がロータ径方向と所定の角度（０°超〜９０°未満）をなすように永久磁石を配置する場合には、図１３（ａ）（ｂ）に示す永久磁石Ｍ_７やＭ_８にように、ロータ表面に最も近接する部分に、高保磁力部Ａ_７やＡ_８を配置し、残りの部分については、上述した永久磁石Ｍ_１〜Ｍ_４に準じて、高保磁力部Ａ_７やＡ_８よりも保磁力の小さい磁石材料で構成すれば良い（Ｂ_７やＢ_８、Ｃ_８、Ｄ_８、Ｅ_８）。

なお、図１３（ａ）に示す永久磁石Ｍ_７は、次のようにして得ることができる。すなわち、図１４（ａ）に示すような予備成形体Ｍ_７’（Ａ_７’：高保磁力部Ａ_７となりうる磁石粉末材料、Ｂ_７’：低保磁力部Ｂ_７となりうる磁石粉末材料）を、図１４（ｂ）に示すように、Ｙ方向の寸法が絞られ、Ｙ方向と直交するＸ、Ｚ方向の寸法が拡げられるように押し出し、その後、Ｘ方向に沿って所定の大きさに切り出せば（図１４（ｂ）中の破線部）、磁化容易軸が板面に略垂直な永久磁石Ｍ_７を得ることができる。図１３（ｂ）に示す永久磁石Ｍ_８もこれと同様にして作製することができる。

実際に、１５００Ｗ、６Ｐ３６Ｓ、１８０℃の耐熱性が必要な埋込磁石型モータについて、図６に示す磁石構成の永久磁石を設計した結果、高保磁力部Ａ_１を形成する磁石材料［ｉＨｃ（Ａ_１）＝２３８７ｋ［Ａ／ｍ］、Ｂｒ（Ａ_１）＝１．０５［Ｔ］］、低保磁力部Ｂ_１を形成する磁石材料［ｉＨｃ（Ｂ_１）＝１５９１ｋ［Ａ／ｍ］、Ｂｒ（Ｂ_１）＝１．２５［Ｔ］］とすることにより、高保磁力部Ａ_１を形成する磁石材料［ｉＨｃ（Ａ_１）＝２３８７ｋ［Ａ／ｍ］、Ｂｒ（Ａ_１）＝１．０５［Ｔ］］単一で全体を設計した永久磁石と比較して、磁石高さを２０％削減できた。その結果、モータ体積も同じ出力のまま１０％削減できた。なお、上述の「６Ｐ３６Ｓ」とは、磁石の極数が６極、巻線を施し、印加電流により界磁するステータ極数が３６極であることを意味している。

また、高保磁力部Ａ_１を形成する磁石材料［ｉＨｃ（Ａ_１）＝２７８５ｋ［Ａ／ｍ］、Ｂｒ（Ａ_１）＝０．９５［Ｔ］］、低保磁力部Ｂ_１を形成する磁石材料［ｉＨｃ（Ｂ_１）＝２３８７ｋ［Ａ／ｍ］、Ｂｒ（Ｂ_１）＝１．０５［Ｔ］］とし、比較的高い保磁力を有する磁石材料を組み合わせることで、永久磁石をモータのギャップ部へ１ｍｍ近づけた設計が可能となり、同様の効果を得ることができた。

以上、本発明に係る永久磁石、埋込磁石型モータについて説明したが、本発明は、上記実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。

本発明に係る永久磁石を備えた、本発明に係る埋込磁石型モータの断面構造の一例を示した図である。 ロータ径方向と磁石板面とがほぼ平行となるように永久磁石が配置されたロータの一例を示した図である。 ロータ径方向と磁石板面とがほぼ垂直となるように一部の永久磁石が配置されるとともに、ロータ径方向と磁石板面とがほぼ平行となるように残りの永久磁石が配置されたロータの一例を示した図である。 略ハの字状に永久磁石が配置されたロータの一例を示した図である。 略Ｖ字状に永久磁石が配置されたロータの一例を示した図である。 第１実施形態に係る永久磁石Ｍ_１について示した図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は外観図、（ｃ）は永久磁石Ｍ_１の作製に供する予備成形体の一例である。 熱間押出加工により、永久磁石Ｍ_１を作製する様子を示した図である。 第２実施形態に係る永久磁石Ｍ_２について示した図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は外観図、（ｃ）は永久磁石Ｍ_２の作製に供する予備成形体の一例である。 第３実施形態に係る永久磁石Ｍ_３について示した図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は外観図、（ｃ）は永久磁石Ｍ_３の作製に供する予備成形体の一例である。 第４実施形態に係る永久磁石Ｍ_３について示した図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は外観図、（ｃ）は永久磁石Ｍ_３の作製に供する予備成形体の一例である。 磁石板面がロータ径方向と略平行になるように永久磁石を配置する場合における磁石構成の一例を説明するための図である。 図１１に示した各永久磁石を作製する様子を示した図である。 磁石板面がロータ径方向と所定の角度をなすように永久磁石を配置する場合における磁石構成の一例を説明するための図である。 図１３に示した各永久磁石を作製する様子を示した図である。

符号の説明

１０ 埋込磁石型モータ（本モータ）
１２ ステータ
１２ａ ヨーク
１２ｂ ティース
１２ｃ 巻線
１４ ロータ
１４ａ ロータコア
１６ 隙間（ギャップ部）
Ｍ 永久磁石
Ｍ_１ 永久磁石
Ａ_１ 高保磁力部
Ｂ_１ 低保磁力部
Ｍ_１’ 予備成形体
Ａ_１’ 高保磁力部Ａ_１となりうる磁石粉末材料
Ｂ_１’ 低保磁力部Ｂ_１となりうる磁石粉末材料
Ｍ_２ 永久磁石
Ａ_２ 磁石層
Ｂ_２ 磁石層
Ｃ_２ 磁石層
Ｍ_２’ 予備成形体
Ａ_２’ 磁石層Ａ_２となりうる磁石粉末材料
Ｂ_２’ 磁石層Ｂ_２となりうる磁石粉末材料
Ｃ_２’ 磁石層Ｃ_２となりうる磁石粉末材料
Ｍ_３ 永久磁石
Ａ_３ 磁石層
ａ_３１ 高保磁力部
ａ_３２ 低保磁力部
Ｂ_３ 磁石層
Ｃ_３ 磁石層
Ｍ_３’ 予備成形体
ａ_３１’ 磁石層Ａ_３の高保磁力部ａ_３１となりうる磁石粉末材料
ａ_３２’ 磁石層Ａ_３の低保磁力部ａ_３２となりうる磁石粉末材料
Ｂ_３’ 磁石層Ｂ_３となりうる磁石粉末材料
Ｃ_３’ 磁石層Ｃ_３となりうる磁石粉末材料
Ｍ_４ 永久磁石
Ａ_４ 磁石層
Ｂ_４ 磁石層
Ｃ_４ 磁石層
Ｄ_４ 磁石層
Ｅ_４ 磁石層
Ｍ_４’ 予備成形体
Ａ_４’ 磁石層Ａ_４となりうる磁石粉末材料
Ｂ_４’ 磁石層Ｂ_４となりうる磁石粉末材料
Ｃ_４’ 磁石層Ｃ_４となりうる磁石粉末材料
Ｄ_４’ 磁石層Ｄ_４となりうる磁石粉末材料
Ｅ_４’ 磁石層Ｅ_４となりうる磁石粉末材料
Ｓ 板面

Claims (7)

1. モータのロータ内部に埋め込まれる永久磁石であって、
   保磁力の異なる複数の磁石材料を寄せ合わせて板状に一体的に形成されており、
   前記ロータ内部に埋め込まれた際、ロータ表面に最も近接する部分には、
   前記磁石材料のうち、最も高い保磁力を示す磁石材料より形成された高保磁力部が少なくとも存在し、
   当該磁石の磁化容易軸が、板面に略垂直な方向に配向していることを特徴とする永久磁石。
2. 前記高保磁力部は、モータのステータに対向する前記板面に接する磁石両縁部全体にわたって存在しており、
   これら両高保磁力部の間は、前記高保磁力部を形成する磁石材料よりも低い保磁力を示す磁石材料より形成されていることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石。
3. 磁石厚み方向に複数の磁石層が積層されてなる積層構造を有し、
   前記各磁石層の保磁力は、ロータ中心部側からモータのステータ側に向かって順に高く設定されていることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石。
4. 磁石厚み方向に複数の磁石層が積層されてなる積層構造を有し、
   前記各磁石層の保磁力は、ロータ中心部側からモータのステータ側に向かって順に高く設定されており、
   前記ステータに対向する磁石層は、その層両縁部の全体にわたって前記高保磁力部が存在しており、これら両高保磁力部の間は、前記高保磁力部を形成する磁石材料よりも低い保磁力を示す磁石材料より形成されていることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石。
5. ロータ中心部を中心とした略同心円状に複数の磁石層が積層されてなる積層構造を有し、
   前記各磁石層の保磁力は、ロータ中心部側からモータのステータ側に向かって順に高く設定されていることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石。
6. 前記磁石材料は、Ｒ−Ｘ１−Ｘ２系磁石材料（但し、Ｒ：Ｎｄ、Ｐｒ、Ｄｙ、ＴｂおよびＨｏから選択される１種または２種以上の希土類元素、Ｘ１：Ｆｅおよび／またはＣｏ、Ｘ２：Ｂおよび／またはＣ）であることを特徴とする請求項１から５の何れかに記載の永久磁石。
7. 請求項１から６の何れかに記載の永久磁石がロータ内部に埋め込まれた埋込磁石型モータ。

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