JP2011229329A - Permanent magnet motor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は永久磁石式モータに関し、特に、ロータに埋め込まれる、又はロータ表面に装着される永久磁石の保持力の改良に関する。 The present invention relates to a permanent magnet type motor, and more particularly to improvement of the holding force of a permanent magnet embedded in a rotor or mounted on a rotor surface.
電気自動車やハイブリッド自動車において、バッテリや駆動モータのコストをいかに低下させるかは極めて大きな課題である。モータ製造価格を低下させるためのアプローチの一つに、ロータ内部に埋めこまれる、又はロータ表面に装着される永久磁石の改善がある。例えば、ロータ内部に永久磁石が埋め込まれている場合、永久磁石のステータ側の側面にはステータ側から入ってくる外部磁界が磁石の内部に比して相対的に高いため、磁力を保持するために相対的に高い保持力が要求される。一方、磁石の内部においては、外部磁界が相対的に弱いことからその側面付近ほどの保持力は要求されないが、モータのトルク性能に寄与する磁束密度は相対的に高いことが必要である。保持力と磁束密度は、互いに相反する傾向にあり、両方の物理量を同時に満足し得る材料は比較的高価なものとなる。 In an electric vehicle or a hybrid vehicle, how to reduce the cost of a battery or a drive motor is a very big problem. One approach to lowering motor manufacturing costs is to improve the permanent magnets embedded within the rotor or mounted on the rotor surface. For example, when a permanent magnet is embedded in the rotor, the external magnetic field entering from the stator side is relatively higher than the inside of the magnet on the stator side surface of the permanent magnet. Therefore, a relatively high holding force is required. On the other hand, since the external magnetic field is relatively weak inside the magnet, the holding force as close to the side surface is not required, but the magnetic flux density contributing to the torque performance of the motor needs to be relatively high. The coercive force and the magnetic flux density tend to conflict with each other, and a material that can satisfy both physical quantities at the same time is relatively expensive.
特許文献1には、磁束密度が相対的に小さく、保持力が相対的に高い材料から成形された外部磁石と、磁束密度が相対的に大きく、保持力が相対的に低い材料から成形された内部磁石とから複合磁石を成形し、複合磁石をロータに埋め込む技術が開示されている。外部磁石には、ネオジウム(Nd)にジスプロシウム(Dy)を重希土類元素が添加された材料を用い、内部磁石にはNdを用いることが開示されている。
In
また、特許文献2には、ロータに埋め込まれる、又はロータの表面に装着される永久磁石セグメントのそれぞれがさらに分割された永久磁石の集合体で構成されるとともに、各分割された個々の永久磁石の表面近傍における保持力がそれぞれ分割された永久磁石内部の保持力よりも大きくなっている永久磁石式回転機用回転子が開示されている。また、分割された永久磁石がNd系希土類焼結磁石であること、Nd系希土類焼結磁石の表面から内部に向かっての保持力傾斜が、磁石表面から内部に向かってDy又はTbを拡散させたことによって製造されることが開示されている。 Further, in Patent Document 2, each of the permanent magnet segments embedded in the rotor or attached to the surface of the rotor is composed of an assembly of permanent magnets, and each of the divided permanent magnets. There is disclosed a rotor for a permanent magnet type rotating machine in which the holding force in the vicinity of the surface of the permanent magnet is larger than the holding force inside the divided permanent magnets. Further, the divided permanent magnet is an Nd-based rare earth sintered magnet, and the holding force gradient from the surface to the inside of the Nd-based rare earth sintered magnet diffuses Dy or Tb from the magnet surface to the inside. It is disclosed that it is manufactured.
ところで、Nd系焼結磁石は、耐熱性や保持力が一定以上あって優れた磁気特性を有しているが、ステータからの反磁界により減磁しやすいのはロータの外周近傍のみであり、ロータの内周部近傍は保持力をそれほど高くする必要はないところ、磁石表面から内部に向かってDy又はTbを拡散させて製造される永久磁石の集合体で永久磁石セグメントを構成するとロータの内周部近傍においても重希土類が偏析してしまうため、重希土類の使用が最適化されておらず、結果としてコストが増大してしまう。 By the way, the Nd-based sintered magnet has excellent heat resistance and holding power over a certain level and has excellent magnetic characteristics, but it is only near the outer periphery of the rotor that is easily demagnetized by the demagnetizing field from the stator. In the vicinity of the inner peripheral portion of the rotor, it is not necessary to increase the holding force so much. However, if a permanent magnet segment is composed of an assembly of permanent magnets manufactured by diffusing Dy or Tb from the magnet surface toward the inside, Since the heavy rare earth is segregated also in the vicinity of the peripheral portion, the use of the heavy rare earth is not optimized, resulting in an increase in cost.
本発明の目的は、重希土類の使用を最適化することで重希土類の使用を最小限に留め、これによりコストを抑制できる永久磁石式モータを提供することにある。 An object of the present invention is to provide a permanent magnet motor that can minimize the use of heavy rare earths by optimizing the use of heavy rare earths, thereby reducing costs.
本発明の永久磁石式モータは、永久磁石がロータコアに埋め込まれ、又はロータコア表面に装着されたロータと、前記ロータに対して所定の空隙を介して配置されたステータとを備え、前記永久磁石は、重希土類元素を表面近傍の結晶粒界に偏析させた焼結磁石を磁化方向に垂直な面で分割して得られる複数の焼結磁石セグメントであり、前記複数の焼結磁石セグメントは、それぞれ前記重希土類元素の濃度が相対的に高い面が前記ロータの外周面側に位置し、前記重希土類元素の濃度が相対的に低い面が前記ロータの内周面側に位置するように前記ロータコアに埋め込まれ、又はロータコア表面に装着されることを特徴とする。 A permanent magnet motor according to the present invention includes a rotor in which a permanent magnet is embedded in a rotor core or mounted on a rotor core surface, and a stator that is disposed with respect to the rotor via a predetermined gap. , A plurality of sintered magnet segments obtained by dividing a sintered magnet in which heavy rare earth elements are segregated at crystal grain boundaries near the surface on a plane perpendicular to the magnetization direction, and the plurality of sintered magnet segments are respectively The rotor core is configured such that a surface having a relatively high concentration of the heavy rare earth element is positioned on the outer peripheral surface side of the rotor and a surface having a relatively low concentration of the heavy rare earth element is positioned on the inner peripheral surface side of the rotor. Embedded in or mounted on the surface of the rotor core.
本発明の1つの実施形態では、前記永久磁石は、重希土類元素を表面近傍の結晶粒界に偏析させた焼結磁石を磁化方向に垂直な面で2等分して得られる複数の焼結磁石セグメントである。 In one embodiment of the present invention, the permanent magnet includes a plurality of sintered magnets obtained by dividing a sintered magnet obtained by segregating a heavy rare earth element into a grain boundary near the surface into two equal parts on a plane perpendicular to the magnetization direction. It is a magnet segment.
また、本発明の他の実施形態では、前記永久磁石は、重希土類元素を表面近傍の結晶粒界に偏析させた焼結磁石を磁化方向に垂直な面で4等分して得られる複数の焼結磁石セグメントである。 In another embodiment of the present invention, the permanent magnet includes a plurality of sintered magnets obtained by segregating a heavy rare earth element into a crystal grain boundary near the surface and dividing it into four equal parts in a plane perpendicular to the magnetization direction. It is a sintered magnet segment.
本発明によれば、重希土類の使用を最適化することで重希土類の使用を最小限に留め、これによりコストを抑制できる。 According to the present invention, the use of heavy rare earths can be minimized by optimizing the use of heavy rare earths, thereby reducing costs.
以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
1.モータの基本構成
まず、本実施形態におけるモータの基本構成について説明する。本実施形態のモータはIPM(Interior Permanent Magnet:内部磁石埋込型)モータであり、ロータ(回転子)とステータ(固定子)を備え、ロータは電磁鋼板を積層したロータコアに複数の永久磁石を埋め込まれて構成される。ロータの極数は任意である。ステータは、電磁鋼板を積層した構造で、各ティースにはコイルが巻回されている。ロータに埋め込まれる永久磁石は、Nd系希土類焼結磁石であり、母金属を粗粉砕、微粉砕、成形、焼結して製造され、磁石表面にDyやTbの酸化物粉末、DyやTbのフッ化物の粉末、DyやTbを含む合金粉末を塗布し、その後、磁石を焼結温度よりも低い温度で熱処理することにより粒界部にのみDyやTbを拡散させたものである。Dy等の重希土類が偏析(拡散浸漬)された焼結磁石は、ロータ内に形成された孔に挿入されて、IPMモータのロータが形成される。
1. First, the basic configuration of the motor in this embodiment will be described. The motor of this embodiment is an IPM (Internal Permanent Magnet) motor, and includes a rotor (rotor) and a stator (stator), and the rotor has a plurality of permanent magnets on a rotor core in which electromagnetic steel plates are laminated. Embedded and configured. The number of poles of the rotor is arbitrary. The stator has a structure in which electromagnetic steel plates are laminated, and a coil is wound around each tooth. The permanent magnet embedded in the rotor is an Nd-based rare earth sintered magnet, which is manufactured by roughly pulverizing, finely pulverizing, molding, and sintering a base metal, and a Dy or Tb oxide powder or Dy or Tb oxide powder on the magnet surface. An alloy powder containing fluoride powder and Dy and Tb is applied, and then the magnet is heat-treated at a temperature lower than the sintering temperature to diffuse Dy and Tb only in the grain boundary part. The sintered magnet on which heavy rare earth such as Dy is segregated (diffusion soaked) is inserted into a hole formed in the rotor to form the rotor of the IPM motor.
Dy等の重希土類が偏析(拡散浸漬)された焼結磁石では、特開2009−254092号公報に開示されているように、残留磁束密度の低減をほとんど伴わずに保持力が効率的に増大され、焼結磁石の保持力に分布が生じる。すなわち、磁化方向に平行な面において磁石表面近傍の保持力が磁石内部の保持力よりも相対的に高くなる。 With a sintered magnet in which heavy rare earth such as Dy is segregated (diffusion soaked), as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2009-254092, the holding power is efficiently increased with little reduction in residual magnetic flux density. As a result, a distribution occurs in the holding force of the sintered magnet. That is, the holding force in the vicinity of the magnet surface is relatively higher than the holding force inside the magnet in a plane parallel to the magnetization direction.
本実施形態では、Dy等の重希土類が偏析(拡散浸漬)された焼結磁石におけるこのような保持力分布を利用して、IPMモータのロータを形成する。 In this embodiment, the rotor of the IPM motor is formed by using such a holding force distribution in a sintered magnet in which heavy rare earth such as Dy is segregated (diffusion dipped).
2.ロータの製造方法
図1に、本実施形態におけるIPMモータのロータ製造方法を模式的に示す。図1(a)は、直方体形状のNd系重希土類焼結磁石10を磁化方向に平行な面で切断した断面図である。Dy等の重希土類が偏析(拡散浸漬)された焼結磁石、例えばNdFeB磁石は、磁化方向に平行な面において磁石表面近傍の重希土類元素の濃度が磁石内部の重希土類元素の濃度よりも相対的に高くなる。ここで、断面において、重希土類の濃度毎にa,b,c,dの4つのエリアに分割するものとする。もちろん、このような分割は便宜的なものにすぎず、実際の濃度は連続的に変化するものである。重希土類の濃度は、エリアa>エリアb>エリアc>エリアdである。
2. Method for Manufacturing Rotor FIG. 1 schematically shows a method for manufacturing a rotor for an IPM motor in this embodiment. FIG. 1A is a cross-sectional view of a rectangular parallelepiped Nd-based heavy rare earth sintered
このような焼結磁石10を単にロータに形成された孔に挿入して埋め込む構成とした場合、ロータ内周側においても重希土類の濃度が高い領域が存在することとなる。ロータ内周側では反磁界が相対的に弱いので大きな保持力は必要ではないところ、このようにロータ内周側において重希土類の濃度を高くするのは無駄であり、重希土類の有効活用が図られずコスト増加を招く。
When such a sintered
そこで、図1(b)に示すように、直方体形状の焼結磁石10を、磁化方向に垂直な平面で2等分して焼結磁石セグメント10aと焼結磁石セグメント10bに分割する。図において、磁化方向が紙面の上下方向であるとすると、紙面に対して垂直方向の面で焼結磁石10を2等分する。具体的には、焼結磁石10を磁化方向に垂直な面で切断し、砥石、切削刃、ワイヤーソー等を用いて切削加工する。2等分して得られるそれぞれの焼結磁石セグメント10a,10bは、共に重希土類の濃度が互いに異なるエリアa,b,c,dを備える。例えば、焼結磁石セグメント10aは、表面にエリアaが存在し、裏面にいくに従ってエリアb、エリアc、エリアdの各エリアが重層的に存在する。一方、焼結磁石セグメント10bは、表面にエリアdが存在し、裏面にいくに従ってエリアc、エリアb、エリアaの各エリアが重層的に存在する。それぞれの焼結磁石セグメント10a,10bのサイズは、例えば長さ20mm、幅5mmである。そして、このようにして2等分して得られた焼結磁石セグメント10a,10bを、それぞれロータコアに形成された孔に挿入する。
Therefore, as shown in FIG. 1B, the rectangular parallelepiped sintered
図1(c)に、ロータの1極あたりの構成を示す。図1(c)に示すように、ロータコア100に形成された2個の孔102にそれぞれ焼結磁石セグメント10a,10bを挿入する。この際、エリアaがロータコア100の外周側、エリアdがロータコア100の内周側に位置するように挿入する。すなわち、焼結磁石セグメント10aを孔102に挿入する場合には、焼結磁石セグメント10aにおけるエリアa側の面がロータコア100の外周側に、エリアd側の面がロータコア100の内周側に位置するように、焼結磁石セグメント10aの向きを調整して孔102に挿入する。焼結磁石セグメント10bも同様であり、焼結磁石セグメント10bにおけるエリアa側の面がロータコア100の外周側に、エリアd側の面がロータコア100の内周側に位置するように、焼結磁石セグメント10bの向きを調整して孔102に挿入する。
FIG. 1 (c) shows a configuration per pole of the rotor. As shown in FIG. 1C, the
このように焼結磁石セグメント10a,10bをそれぞれロータコア100の孔102に挿入することで、重希土類の濃度が相対的に高いエリアaがロータ外周近傍に位置し、重希土類の濃度が相対的に低いエリアdがロータ内周近傍に位置するようになる。従って、反磁界が強いロータ外周近傍において重希土類の濃度を相対的に高くして保持力を大きくする一方、反磁界が弱いロータ内周近傍において重希土類の濃度を相対的に低くして重希土類の無駄を排除することができる。
By inserting the
3.ロータの他の製造方法
図2に、他の実施形態におけるIPMモータのロータ製造方法を模式的に示す。図2(a)は、直方体形状の焼結磁石10を磁化方向に平行な面で切断した断面図であり、図1(a)と同様である。重希土類が偏析(拡散浸漬)された焼結磁石は、磁化方向に平行な面において磁石表面近傍の重希土類元素の濃度が磁石内部の重希土類元素の濃度よりも相対的に高くなる。断面において、重希土類の濃度毎にa,b,c,dの4つのエリアに分割するものとする。重希土類の濃度は、エリアa>エリアb>エリアc>エリアdである。
3. Other Method for Manufacturing Rotor FIG. 2 schematically shows a method for manufacturing a rotor for an IPM motor according to another embodiment. 2A is a cross-sectional view of the rectangular parallelepiped sintered
次に、図2(b)に示すように、直方体形状の焼結磁石10を、磁化方向に垂直な平面で4等分して焼結磁石セグメント10aと焼結磁石セグメント10bと焼結磁石セグメント10cと焼結磁石セグメント10dに分割する。焼結磁石セグメント10a,10dは共にエリアa,b,cを重層的に備え、焼結磁石セグメント10b,10cは共にエリアa,b,c,dを重層的に備える。
Next, as shown in FIG. 2B, the rectangular parallelepiped sintered
図2(c)に、ロータ1極あたりの構成を示す。図2(c)に示すように、ロータコア100に2層にわたって形成された合計4個の孔102にそれぞれ焼結磁石セグメント10a,10b,10c,10dを挿入する。ロータ外周側の孔102には焼結磁石セグメント10a,10dを挿入し、ロータ内周側の孔102には焼結磁石セグメント10b,10cを挿入する。この際、エリアaがロータコア100の外周側、エリアcあるいはエリアdがロータコア100の内周側に位置するように挿入する。すなわち、焼結磁石セグメント10aを外周側の孔102に挿入する場合には、焼結磁石セグメント10aにおけるエリアa側の面がロータコア100の外周側に、エリアc側の面がロータコア100の内周側に位置するように、焼結磁石セグメント10aの向きを調整して孔102に挿入する。焼結磁石セグメント10dも同様であり、焼結磁石セグメント10dにおけるエリアa側の面がロータコア100の外周側に、エリアc側の面がロータコア100の内周側に位置するように、焼結磁石セグメント10bの向きを調整して孔102に挿入する。また、焼結磁石セグメント10bを内周側の孔102に挿入する場合には、焼結磁石セグメント10bにおけるエリアa側の面がロータコア100の外周側に、エリアd側の面がロータコア100の内周側に位置するように、焼結磁石セグメント10bの向きを調整して孔102に挿入する。焼結磁石セグメント10cも同様であり、焼結磁石セグメント10cにおけるエリアa側の面がロータコア100の外周側に、エリアd側の面がロータコア100の内周側に位置するように、焼結磁石セグメント10cの向きを調整して孔102に挿入する。
FIG. 2C shows a configuration per rotor pole. As shown in FIG. 2C, the
このように焼結磁石セグメント10a,10b,10c,10dをそれぞれロータコア100の孔102に挿入することで、重希土類の濃度が相対的に高いエリアaがロータ外周近傍に位置し、重希土類の濃度が相対的に低いエリアdがロータ内周近傍に位置するようになる。従って、反磁界が強いロータ外周近傍において重希土類の濃度を相対的に高くして保持力を大きくする一方、反磁界が弱いロータ内周近傍において重希土類の濃度を相対的に低くして重希土類の無駄を排除することができる。
Thus, by inserting the
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、種々の変更が可能である。 As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to this, A various change is possible.
例えば、本実施形態では、ロータ内部に磁石を埋め込むIPMモータについて例示してが、ロータの表面に永久磁石を装着するモータにおいても同様に適用することができる。すなわち、図1(b)のように2等分して得られた焼結磁石セグメント10a,10bをそれぞれロータの表面に装着する際に、エリアaがロータ外周近傍に位置し、エリアdがロータ内周側に位置するように向きを調整して装着する。
For example, in this embodiment, an IPM motor in which a magnet is embedded in the rotor is illustrated, but the present invention can be similarly applied to a motor in which a permanent magnet is mounted on the surface of the rotor. That is, when the
また、本実施形態では、重希土類を表面近傍の粒界に偏析(拡散浸漬)させた焼結磁石において、重希土類の濃度が相対的に高い面をロータ外周側に位置するように配置するものであり、重希土類の濃度が相対的に高い面における重希土類の濃度値は、ステータの反磁界で減磁しない程度の大きさの保持力が得られる程度でよく、そして、重希土類の濃度が相対的に低い面における濃度、すなわち分割前の焼結磁石の内部における濃度は、反磁界が弱いロータ内周側に位置するので従来よりも低い濃度でよく、この意味において重希土類元素の使用量を削減することが可能である。 Further, in this embodiment, in a sintered magnet in which heavy rare earth is segregated (diffusion soaked) at grain boundaries near the surface, a surface having a relatively high heavy rare earth concentration is positioned on the outer periphery side of the rotor. The concentration value of the heavy rare earth on the surface where the concentration of heavy rare earth is relatively high may be such that a holding force large enough not to demagnetize by the demagnetizing field of the stator is obtained, and the concentration of heavy rare earth is The concentration on the relatively low surface, that is, the concentration inside the sintered magnet before the division, is located on the inner circumference side of the rotor where the demagnetizing field is weak, so it may be lower than the conventional concentration. In this sense, the amount of heavy rare earth elements used Can be reduced.
また、本実施形態では、図1において直方体形状の焼結磁石10を磁化方向に垂直な面で2等分しているが、「2等分」とは必ずしも厳密に2等分を意味するものではなく、略2等分を意味するものであり、焼結磁石セグメント10aと焼結磁石セグメント10bとが互いに実質的に同一視できる程度に分割すればよい。
Further, in the present embodiment, the rectangular parallelepiped sintered
また、図2ではロータの2層構造に対応して直方体形状の焼結磁石10を磁化方向に垂直な面で4等分しているが、ロータが3層構造の場合には磁化方向に垂直な面で6等分すればよく、以下同様にn層の場合には2n等分すればよい。
In FIG. 2, the rectangular parallelepiped sintered
また、本実施形態では、直方体形状の焼結磁石10を等分割して得られる焼結磁石を焼結磁石セグメントと称しているが、焼結磁石セグメントの形状は必ずしも直方体形状である必要はなく、ロータの曲率に応じた曲面を有していてもよい。
In the present embodiment, the sintered magnet obtained by equally dividing the rectangular parallelepiped sintered
10 焼結磁石 10a〜10d 焼結磁石セグメント、100 ロータコア、102 孔。
10
Claims (3)
前記ロータに対して所定の空隙を介して配置されたステータと、
を備え、
前記永久磁石は、重希土類元素を表面近傍の結晶粒界に偏析させた焼結磁石を磁化方向に垂直な面で分割して得られる複数の焼結磁石セグメントであり、
前記複数の焼結磁石セグメントは、それぞれ前記重希土類元素の濃度が相対的に高い面が前記ロータの外周面側に位置し、前記重希土類元素の濃度が相対的に低い面が前記ロータの内周面側に位置するように前記ロータコアに埋め込まれ、又はロータコア表面に装着される
ことを特徴とする永久磁石式モータ。 A rotor with a permanent magnet embedded in the rotor core or mounted on the surface of the rotor core;
A stator disposed via a predetermined gap with respect to the rotor;
With
The permanent magnet is a plurality of sintered magnet segments obtained by dividing a sintered magnet obtained by segregating heavy rare earth elements into crystal grain boundaries in the vicinity of the surface along a plane perpendicular to the magnetization direction,
Each of the plurality of sintered magnet segments has a surface having a relatively high concentration of the heavy rare earth element located on the outer peripheral surface side of the rotor, and a surface having a relatively low concentration of the heavy rare earth element is an inner surface of the rotor. The permanent magnet motor is embedded in the rotor core or mounted on the surface of the rotor core so as to be positioned on the circumferential surface side.
前記永久磁石は、重希土類元素を表面近傍の結晶粒界に偏析させた焼結磁石を磁化方向に垂直な面で2等分して得られる複数の焼結磁石セグメントであることを特徴とする永久磁石式モータ。 The motor according to claim 1, wherein
The permanent magnet is a plurality of sintered magnet segments obtained by dividing a sintered magnet obtained by segregating heavy rare earth elements into a grain boundary near the surface into two equal parts on a plane perpendicular to the magnetization direction. Permanent magnet motor.
前記永久磁石は、重希土類元素を表面近傍の結晶粒界に偏析させた焼結磁石を磁化方向に垂直な面で4等分して得られる複数の焼結磁石セグメントであることを特徴とする永久磁石式モータ。 The motor according to claim 1, wherein
The permanent magnet is a plurality of sintered magnet segments obtained by dividing a sintered magnet obtained by segregating heavy rare earth elements into crystal grain boundaries near the surface into four equal parts on a plane perpendicular to the magnetization direction. Permanent magnet motor.
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