JP2014033582A - 永久磁石式回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】価格の高い重希土類元素の使用量適正化を図りつつ、永久磁石の耐減磁性向上に対して自由度の高い設計を可能した永久磁石式回転電機に搭載する永久磁石を提供する。
【解決手段】空隙を隔てて固定子鉄心１の内周側に埋め込み配置した回転子鉄心３に複数の永久磁石５を周方向に配置した永久磁石式回転電機において、前記永久磁石５を磁気特性（保磁力，残留磁束密度）が異なる複数の同一形状になる希土類の磁石素片５ａ，５ｂの集合体で構成し、ここで固定子側から作用する逆磁界の分布に合わせて、大きな逆磁界が作用する永久磁石５の外周側端部の領域には保磁力の高い磁石素片５ｂを配置して永久磁石５の耐減磁性を高め、さらに磁石素片５ａ，５ｂの組み合わせ数，配列を適宜に選択することで、出力容量の異なる各機種の回転電機に対応した外形サイズの永久磁石５の作製を可能にする。
【選択図】図１

Description

本発明は、永久磁石式回転電機に関し、詳しくはその回転子に配備した希土類(レアアース)永久磁石の構成に係わる。

電気自動車などの車載用モータ，発電機では小型，高性能，省エネ化が要求されることから、昨今では磁石材料として磁力（残留磁束密度，保磁力）の大きな希土類の永久磁石を用いた永久磁石式回転電機の利用が急速に拡大している。

ここで、埋込磁石形回転電機（ＩＰＭモータ）を対象例に、一般的な永久磁石式回転電機の構成を図４，図５に示す。図において、１は固定子鉄心、１ａはティース、１ｂはコイルスロット、２は固定子鉄心１に巻装した電機子コイル（図示例は集中巻き方式）、３は回転子鉄心、４は回転軸、５は希土類の磁石材料で作製した永久磁石であり、この永久磁石５は隣接する磁極がＮ，Ｓ交互に並ぶようにして回転子鉄心３の外周近くに穿設した磁石挿入スロットに挿入して埋設配備されている。

ところで、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系などで代表される希土類の永久磁石は、高温に曝されると磁力が低下する熱減磁、および逆磁界の作用による不可逆的減磁の発生問題がある。かかる点、永久磁石５を回転子鉄心３の表面近くに配置した図４，図５の回転電機では、永久磁石５が、固定子鉄心１と電機子コイル２の発熱で高温に曝される。さらに、希土類の永久磁石は電気抵抗が低いことから、固定子鉄心１のコイルスロット１ｂが作る脈動磁束を受けて渦電流が生じ、この渦電流損に起因する温度上昇も加わって永久磁石５が熱減磁され易くなる。

そこで、従来ではＮｄ系の磁石材料に添加するジスプロシウム（Ｄｙ），テルビウム（Ｔｂ）などの重希土類元素を増量して永久磁石の保磁力を高める対策が講じられているが、一方では希土類永久磁石の磁気特性として保磁力と残留磁束密度とはトレードオフの関係にあり、重希土類元素の含有量が多くなると永久磁石の残留磁束密度が低下する。

このことを受けて、従来では回転電機の回転子に配備した永久磁石について、固定子側から作用する逆磁界により減磁し易い領域と、減磁界の影響が小さい領域とに分け、逆磁界の影響を受け易い永久磁石の両端部，ないし固定子に向かい合う永久磁石の外周面側には保磁力の高い磁石材料を選択し、それ以外の領域には相対的に保磁力が低くて残留磁束密度の高い磁石材料を選択するように磁気特性の異なる磁石材料を組み合わせて構成した永久磁石が提案されている。

一方、前記のような磁気特性をもつ永久磁石の製造方法として、通常のＮｄ系磁石材料になる磁石ブロックと、Ｎｄ系磁石に添加するジスプロシウム（Ｄｙ）などを増量して保磁力を高めた磁石ブロックとを貼り合わせた永久磁石が知られている（例えば、特許文献１参照）。また、別な方法として、Ｎｄ系焼結磁石材料になる永久磁石に対し、粒界拡散法により逆磁界の影響を受け易い領域（永久磁石の両端部，あるいは外周側の表面部）に表面側から重希土類元素を拡散させてその拡散領域の保磁力を高めるようにした永久磁石が知られている（例えば、特許文献２）。

特開平８−３４０６５１号公報 再公表特許２００８−１２３２５１号公報

ところで、前記した希土類（レアアース）は資源量が少なく、とりわけジスプロシウム（Ｄｙ），テルビウム（Ｔｂ）などの重希土類元素は高価格であることから、永久磁石式回転電機に搭載する耐減磁性の高い永久磁石を設計，製作するに当たっては、重希土類元素の使用量をできるかぎり低減することが必要であり、加えて永久磁石の性能向上とコスト低減を両立させるにも限界設計が重要なテーマとなる。

かかる観点から先記した特許文献１，特許文献２に開示されている永久磁石を検討すると次記のような課題がある。すなわち、永久磁石式回転電機はその出力容量，仕様，運転条件によって回転電機の諸元，磁気回路の磁界分布が異なり、これに伴い永久磁石についてもその外形サイズ（横幅，厚さ，長さ寸法）、および運転時に永久磁石に作用する逆磁界の分布範囲が回転電機の機種，仕様によって異なる。

かかる点、先記した特許文献１，特許文献２に開示されている永久磁石は、その１極当りの外径サイズ（横幅，厚さ，長さ寸法），および高保磁力部の領域を回転電機の機種ごとに、その諸元に合わせて設計，製造した永久磁石を用意する必要があり、そのために多様な機種の永久磁石式回転電機を製作する機器メーカーでは、その機種の仕様に対応する各種サイズ，磁気特性の永久磁石を磁石メーカーに発注するなど、その部品の製造，管理には多大な経費がかかる問題がある。

そのほか、粒界拡散法により重希土類元素をＮｄ系の希土類焼結磁石の内部に拡散させて高保磁力部を形成するようにした特許文献２の永久磁石では、永久磁石の個体（ロット）ごとにその製造工程では重希土類元素の拡散量および分布の均一性，拡散範囲にはバラツキが生じる。しかも、磁石メーカーから入手した前記永久磁石を用いて回転電機を製作する機器メーカーでは、この永久磁石の磁気特性を実際に評価，確認することが難しいことから、重希土類元素の量，拡散範囲をあらかじめ必要以上に広げて製造した永久磁石を用いるなどの手法を取らざるを得ず、その結果として価格の高い重希土類元素の使用量削減を目的として性能向上，コスト低減を図る限界設計が困難となる。加えて、単一体の構造になる永久磁石は渦電流損の発生も問題となる。

本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、その目的は前記課題を解消して価格の高い重希土類元素の使用量適正化を図りつつ、永久磁石の耐減磁性向上に対して自由度の高い設計を可能した永久磁石式回転電機に搭載する永久磁石を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明によれば、空隙を隔てて固定子の内周側に配置した回転子の鉄心に各磁極に対応する複数の永久磁石を周方向に配置した永久磁石式回転電機において、
前記永久磁石を磁気特性が異なる複数の同一形状になる磁石素片の集合体で構成し（請求項１）、具体的前記永久磁石を次記のような態様で構成するものとする。
（１）永久磁石を構成する磁石素片は希土類磁石であり、固定子側から作用する逆磁界の分布に合わせて大きな逆磁界が加わる永久磁石の外周側端部の領域に保磁力の高い磁石素片を配置して永久磁石を構成する（請求項２）。
（２）前記構成における保磁力の高い磁石素片は、他の領域に配置した磁石素片よりも重希土類元素の含有割合を高めて製造した磁石素片である（請求項３）。
（３）前記した個々の永久磁石素片は、その断面形状が方形，もしくは三角形の角柱体であり、この磁石素片を組み合わせて回転子に配備する永久磁石を構成する（請求項４）。

上記構成によれば、回転電機の回転子に配備する永久磁石について、同一形状になる保磁力の高い磁石素片とそれ以外の磁石素片の組み合わせ個数，配列を選択することにより、その永久磁石の外形サイズ，および高保磁力領域の設定を高い自由度で設計，製作することが可能となる。

しかも、個々の磁石素片についてはその磁気特性（保磁力，残留磁束密度）が評価，確認されていて、粒界拡散法により高保磁力領域を形成した従来の永久磁石（特許文献２参照）のように高保磁力部の拡散量，拡散範囲のバラツキの影響を受けることなしに高保磁力部の領域を適正に設定できる。

これにより、仕様が異なる機種の回転電機に対しても、磁場解析シミュレーションなどで得た逆磁界の分布に合わせて高保磁力の磁石素片の配列数，配列位置を設定して構成することで、高保磁力の磁石素片に添加した重希土類元素を無駄なく有効利用して耐減磁性の高い永久磁石を限界設計できる。

また、永久磁石の構成部品とし同一形状なる前記２種類の磁石素片を用意しておき、この各磁石素片を幅，長さ方向に適宜組み合わせて回転子に搭載する永久磁石を作製することで、小出力から大出力容量まで各機種の回転電機の仕様に対応した永久磁石を製作することができる。したがって、新機種の永久磁石式回転電機を製作する場合でも、従来のように回転機の機種ごとにその仕様に合わせて永久磁石のサイズ、高保磁力部の形成領域を新たに設計して磁石メーカーに発注すると方法と比べて設計から永久磁石の製作まで期間を大幅に短縮して製品コストの低減化が図れる。

本発明の実施例による永久磁石式回転電機の構成図であって、（ａ）は埋込磁石形回転電機における磁石１極分の模式図、（ｂ），（ｃ）はそれぞれ（ａ）における各磁極素片の外形斜視図である。 本発明の応用実施例の構成図であって、（ａ），（ｂ）はそれぞれ図１（ａ）に対応する別な実施例の模式構成図である。 図１の永久磁石組立体と異なる本発明の別な実施例による永久磁石の模式構成図であって、（ａ），（ｂ）はそれぞれ断面三角形の磁石素片を組み合わせて構成した永久磁石の素片配列図である。 磁石埋込形構造を対象例とした永久磁石式回転電機の一般的な略示断面図である。 図４における要部構成図であって、（ａ）は磁石１極分の拡大図、（ｂ）は回転子鉄心に埋設する永久磁石の斜視図である。

以下、本発明の実施の形態を図１〜図６に示す実施例に基づいて説明する。なお、各実施例の図中で図４，図５に対応する部材には同じ符号を付してその説明は省略する。

まず、埋込磁石形の回転子を例に、本発明の実施例による永久磁石の組立構造を図１（ａ）〜（ｃ）に基づいて説明する。この実施例においては、回転子鉄心１の外周側近くに穿設した磁石挿入スロットに嵌挿した永久磁石５が、磁気特性の異なる２種類の磁石素片５ａと磁石素片５ｂを図示のように組み合わせた集合体で構成している。

ここで、磁石素片５ａと５ｂは共に同一形状（外形形状，外形寸法が同一）になる直方体（断面の辺長：ｄ（例えばｄ＞３mm）、長さ：Ｌ）であり、図中の矢印方向（回転子の半径方向）に着磁されている。また、磁石素片５ａは従来のＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系磁石と同じ組成の磁石材料で製造した高残留磁束密度の磁石（焼結磁石）であり、他方の磁石素片５ｂは前記Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系磁石材料の組成にジスプロシウム（Ｄｙ），テルビウム（Ｔｂ）などの重希土類元素を増量添加して製造した高保磁力の磁石（焼結磁石）である。

そして、図示例では回転子に搭載する永久磁石５の外形サイズに合わせて、磁石素片５ａと５ｂを図示のように上下２段に配列して積み重ね、ここで固定子と対向する外周側の両端部（逆磁界が大きく作用する領域）には高保磁力の磁石素片５ｂを配置し、各磁石素片を接着して一体化した永久磁石５を構成している。

なお、図示例では高保磁力の磁石素片５ｂを永久磁石５の両端部に１個ずつ配置しているが、磁気回路の磁場解析法で求めた逆磁界分布に合わせて、複数個の磁石素片５ｂを並べて高保磁力部の領域を広げるようにしてもよい。また、永久磁石５の着磁方法についても、個々の磁石素片５ａ，５ｂを着磁した状態で永久磁石５を組立てるか、もしくは着磁する前の磁石素片５ａ，５ｂで一体に組立てた永久磁石５を回転子鉄心４の磁石スロットに挿入した後に、外部から所定の磁化方向に着磁させることもできる。

上記のように磁気特性（保磁力）の異なる同一形状の磁石素片５ａ，５ｂを組み合わせその配列を適宜に選択することにより、永久磁石式回転電機の回転子に搭載する永久磁石５の外形サイズ（横幅，厚さ，軸方向の長さ），および高保磁力領域の設定を高い自由度で設計，製作することが可能となる。また、永久磁石５を複数の磁石素片５ａ，５ｂの集合体で構成することで、渦電流損，および渦電流損に起因する永久磁石の温度上昇，熱減磁を低減できる。なお、図示実施例は埋込磁石形の回転子に適用する永久磁石５について述べたが、表面磁石形回転電機（ＳＰＭモータ）にも適用できることは勿論である。

そのほか、永久磁石５を磁石素片５ａ，５ｂの集合体で構成することにより、回転電機の機器メーカーでは設計，製作面で次記のようなメリットを発揮できる。すなわち、従来では回転機の機種ごとにその永久磁石のサイズ、高保磁力部の形成領域を個別に設計して磁石メーカーに発注しているが、前記のように同一形状の磁石素片５ａ，５ｂを多量に購入して在庫管理しておけば、この磁石素片を共通部品として小出力から大出力容量まで各機種の回転電機に対応した永久磁石を機器メーカーサイドで製作することができる。

したがって、新機種の永久磁石式回転電機を製作する場合でも、従来のように回転機の仕様に合わせて永久磁石のサイズ、高保磁力部の形成領域を新たに設計して磁石メーカーに発注すると手間と時間が省け、永久磁石の製作期間を大幅に短縮して製品コストの低減化が図れる。

次に、先記実施例１の組立構造を基本とした本発明の応用実施例について述べる。

図２（ａ），（ｂ）に示す実施例においては、回転子に搭載する１極分の永久磁石を２個の分割磁石５−１，５−２に分けて図示のように左右に並置し、ここで高保磁力の磁石素片５ｂを分割磁石５−１の左端、および分割磁石５−２の右端に配置している。なお、図２（ａ）の構成では分割磁石５ａと５ｂを直線状に配置し、図２（ｂ）では分割磁石５ａと５ｂをＶ字状に配置しており、いずれも先記の実施例１と同様な効果を奏することができる。

次に、永久磁石５を構成する個々の磁石素片５ａ，５ｂについて、その断面形状を先記の各実施例の四角形から三角形に変更した実施例を図３（ａ），（ｂ）に示す。この実施例のように磁石素片５ａ，５ｂの断面形状を直角三角形とすることで、永久磁石５をさらに細分化して高保磁力部の領域を形成できるほか、表面磁石形の回転子に適用する場合には図３（ｂ）のように両端部を傾斜面にした形状の永久磁石５を構成することも可能である。

なお、この磁石素片５ａ，５ｂの断面形状を適宜に変更して組み合わせることで“Ｃ”形に湾曲した永久磁石セグメントを構成することも可能である。

１ 固定子鉄心
２ 電機子コイル
３ 回転子鉄心
４ 回転軸
５ 永久磁石
５ａ 磁石素片（高残留磁束密度）
５ｂ 磁石素片（高保磁力）

Claims (4)

1. 空隙を隔てて固定子の内周側に配置した回転子の鉄心に各磁極に対応する複数の永久磁石を周方向に配置した永久磁石式回転電機において、
   前記永久磁石を、磁気特性が異なる複数の同一形状になる磁石素片の集合体で構成したことを特徴とする永久磁石式回転電機。
2. 請求項１に記載の永久磁石式回転電機において、永久磁石の磁石素片が希土類磁石であり、固定子側から作用する逆磁界の分布に合わせて大きな逆磁界が加わる永久磁石の外周側端部の領域に保磁力の高い磁石素片を配置したことを特徴とする永久磁石式回転電機。
3. 請求項２に記載の永久磁石式回転電機において、保磁力の高い磁石素片は、他の領域に配置した磁石素片よりも重希土類元素の含有割合を高めた磁石素片であることを特徴とする永久磁石式回転電機
4. 請求項１ないし３のいずれかの項に記載の永久磁石式回転電機において、個々の永久磁石素片の形状は、その断面形状が方形，もしくは三角形の角柱体であることを特徴とする永久磁石式回転電機。

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