JP2015002649A - Ｉｐｍモータの回転子及びそれを用いたｉｐｍモータ - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、高速回転域での出力トルクをより大きくでき、最大回転数をより高くできるＩＰＭモータの回転子及びそれを用いたＩＰＭモータを提供することを目的とするものである。
【解決手段】磁界の強さが８０００Ａ／ｍである時の磁束密度Ｂ_８０００の値が１．７５Ｔ以上であるとともに、その時の残留磁束密度が０．５Ｔ以上かつ体積抵抗率ρが３０×１０^−８Ω・ｍ以上の素材鋼板が積層されることにより形成された回転子鉄心を用いる。
【選択図】図５

Description

本発明は、例えば電気自動車、ハイブリッド自動車、及び工作機械等に使用される永久磁石埋め込み型モータ（以下「ＩＰＭモータ」と記す）の回転子、及びそれを用いたＩＰＭモータに関する。

一般に、ＩＰＭモータは、高価な永久磁石を使用するためコストは高くなるものの、誘導電動機と比べて効率が高い。このため、ＩＰＭモータは、例えば、ハイブリッド自動車及び電気自動車の駆動用モータ及び発電用モータ、家電製品、並びに各種の工作機械や産業機械用のモータ等に広く使用されている。

ＩＰＭモータの鉄心は、固定子と回転子とに分けられる。固定子側の鉄心には巻線を通じて交流磁界が直接付与されるので、効率を高くするために、固定子側の鉄心には、高透磁率であると同時に体積抵抗率を高めて、鉄損を低減できることが要求される。このため、固定子側の鉄心には、極低炭素鋼にＳｉを添加して軟磁気特性を改善した電磁鋼板が用いられる。

一方、回転子側の鉄心には永久磁石が埋め込まれるため、回転子側の鉄心は、主にヨークとして磁束密度を高める役割を担う。回転子側の鉄心は固定子側から発生する交流磁界の影響を僅かに受けるが、その影響は限定的である。従って、特性の観点から見ると、鉄損特性に有利な電磁鋼板を回転子側の鉄心に使用する必要はない。しかし、固定子のみに電磁鋼板を使用すると電磁鋼板の製品歩留りが低下して、モータの製造コストが高くなるので、通常は、回転子側の鉄心にも固定子側と同じ電磁鋼板が用いられる。

ＩＰＭモータが自動車に搭載される場合、自動車の小型軽量化のニーズからＩＰＭモータにも小型化が求められる。その場合、小型化しても従来と同等以上のモータ出力（トルク）を得るために、回転子の回転数が高められる。一般に、モータの効率は回転子の回転速度を高くするほど良好となる。しかし、ＩＰＭモータでは、埋め込まれた永久磁石の回転により、固定子巻線に誘導起電力が発生する。この誘導起電力は、回転速度の上昇に伴い増加する。そして、誘導起電力が入力電圧を超えたところで、モータは回転できなくなる。

このためＩＰＭモータでは、例えば特許文献１等に示されるように、高速回転域で運転する際に、永久磁石の磁束を打ち消す方向の磁束を固定子側から発生させ、誘導起電力を抑制する弱め界磁制御が行われている。この弱め界磁制御により、高速回転域での運転が可能となる反面、永久磁石の磁束を打ち消すために電力を使用するため、モータトルクは減少する。なお、特許文献１では、磁石の形状に工夫を施すことにより、弱め界磁制御に使用する電力量を少なくすることが図られている。

一方、ＩＰＭモータを小型化しても従来と同等以上のトルクを得るため回転子の回転数を高めると、回転子に埋め込まれた永久磁石に作用する遠心力が増大して回転子の破損に至る問題がある。破損を起こさないためには、回転子の素材として降伏強度が高い材料が好適である。例えば３％程度のＳｉを含有する無方向性電磁鋼板（３５Ａ３００）の場合、磁性焼鈍後の降伏強度は約４００Ｎ／ｍｍ^２程度である。このため、回転子の直径が８０ｍｍ以上の比較的大型のＩＰＭモータの場合、回転子の構造によって異なるものの、２００００ｒｐｍ程度が破損を起こさない回転速度の限界と考えられている。これまでも、電磁鋼板をベースに鉄心の降伏強度を高くする検討が種々行われてきたが、それでも高々７８０Ｎ／ｍｍ^２程度である。
このように、ＩＰＭモータの小型化にあたり高速回転化してトルクを得ようとする場合、従来の電磁鋼板を素材とする回転子鉄心では、高速回転域では弱め界磁制御を行ってもトルクが減少してしまう問題と、永久磁石に作用する遠心力により回転子が破損する問題とがあり、高速回転化に限界があった。

高速回転化による回転子鉄心の破損を抑制する方法として、例えば下記の特許文献２等では、回転子鉄心の素材として軟質かつ焼入れ性を有する材料を用い、永久磁石の挿入孔が近接したブリッジ部やその近傍部分のみに部分焼入れを施すことによって強度を上昇させることが提案されている。また、例えば下記の特許文献３等では、回転子鉄心用素材として、電磁鋼板ではなく、高強度かつ高飽和磁束密度である材料を用いることも提案されている。

更に、特許文献４等では、保磁力を調節した素材鋼板を積層した回転子鉄心を備える回転子をＩＰＭモータに組み込むことにより、弱め界磁制御を行う高速回転域で大きな出力トルクが得られることが開示されている。

特開２０００−２７８９００号公報 特開２００９−１５３２３０号公報 特開２００９−４６７３８号公報 特開２０１２−２１７３１８号公報

しかしながら、特許文献１では、磁石の形状に工夫を施すことにより、弱め界磁制御に使用する電力量を少なくすることが図られているが、回転子の素材鋼板の残留磁束密度及び体積抵抗率を調節する点については考慮されていない。また、特許文献２及び３においても、素材鋼板の残留磁束密度及び体積抵抗率を調節する点については考慮されていない。すなわち、従来構成では、素材鋼板の残留磁束密度及び体積抵抗率を調節する点について考慮されていないため、高速回転域での出力トルクが小さくなっており、それに伴い最大回転数も低くなっている。また、低速回転かつ低トルク域におけるモータ効率の改善に関する知見は何ら示されていない。

一方、特許文献４には、保磁力を調整することで弱め界磁性を改善できる回転子及びＩＰＭモータが示されているものの、回転子の素材鋼板の残留磁束密度を調整する点及び低速回転かつ低トルク域におけるモータ効率の改善に関する知見は何も示されていなかった。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、高速回転域での出力トルクをより大きくでき、最大回転数をより高くできるとともに、広範囲な制御条件下において、電磁鋼板を回転子の素材鋼板とした場合と同等以上のモータ効率が安定して得られるＩＰＭモータの回転子及びＩＰＭモータを提供することである。

そこで、本発明者らは、種々の鋼板を素材としてＩＰＭモータを試作し、モータの性能評価を行った。その結果、回転子の素材鋼板の残留磁束密度や保磁力を調節することにより、弱め界磁制御を行う高速回転域で大きな出力トルクが得られるが、電磁鋼板を素材とした場合と比べ、低速回転かつ低トルク域におけるモータ効率が劣る場合があることを見出した。改善策を鋭意検討した結果、素材鋼板の体積抵抗率を高めることで、低速回転かつ低トルク域におけるモータ効率を安定して電磁鋼板を素材とした場合と同等以上にできることを見出した。なお、ｄｑ軸相互干渉に伴うｄ軸磁束のずれは高残留磁束密度とすることで小さくなることから、残留磁束密度が小さい電磁鋼板と比べ低い体積抵抗率でも良好な効率が得られるのに加え、高残留磁束密度化は同時に高体積抵抗率化にも有効であることから、Ｓｉなど飽和磁束密度を低下させる合金元素の添加量も少なくでき、高飽和磁束密度化の観点でも有利となることも見出した。

即ち、本発明に係るＩＰＭモータの回転子は、磁界の強さが８０００Ａ／ｍである時の磁束密度Ｂ_８０００の値が１．７５Ｔ以上であるとともに、その時の残留磁束密度Ｂｒが０．５Ｔ以上かつ体積抵抗率ρが３０×１０^−８Ω・ｍ以上の素材鋼板が積層されることにより形成された回転子鉄心と、回転子鉄心の周方向に互いに間隔をおいて回転子鉄心に設けられた複数の永久磁石挿入孔と、各永久磁石挿入孔に埋め込まれた永久磁石とを備える。

また、本発明に係るＩＰＭモータは、前述の回転子が組み込まれている。

本発明のＩＰＭモータの回転子によれば、磁界の強さが８０００Ａ／ｍである時の磁束密度Ｂ_８０００の値が１．７５Ｔ以上であるとともに、その時の残留磁束密度Ｂｒが０．５Ｔ以上かつ体積抵抗率ρが３０×１０^−８Ω・ｍ以上の素材鋼板が積層されることにより形成された回転子鉄心が用いられているので、高速回転域での出力トルクをより大きくでき、最大回転数をより高くできるとともに、低速回転かつ低トルク域におけるモータ効率を改善することが可能となる。
また、本発明のＩＰＭモータによれば、前述の回転子を用いているので、同様に、高速回転域での出力トルクをより大きくでき、最大回転数をより高くできるとともに、低速回転かつ低トルク域におけるモータ効率を改善することが可能となる。

本発明の実施の形態によるＩＰＭモータの回転子を示す正面図である。 図１の回転子とは別のＩＰＭモータの回転子を示す正面図である。 素材鋼板の評価に用いた第１回転子を示す説明図である。 素材鋼板を用いたＩＰＭモータでの１５０００ｒｐｍにおける最大トルク及び効率と残留磁束密度Ｂｒとの関係を示すグラフである。 素材鋼板を用いたＩＰＭモータでの５０００ｒｐｍ、２Ｎ・ｍ及び５Ｎ・ｍにおける効率と体積抵抗率ρとの関係を示したグラフである。 素材鋼板の評価に用いた第２回転子を示す説明図である。

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の実施の形態によるＩＰＭモータの回転子を示す正面図である。図に示すように、ＩＰＭモータの回転子１には、後述の回転子用鋼板（素材鋼板）が積層されることにより形成された回転子鉄心１０（回転子本体）と、回転子鉄心１０の周方向に沿って互いに間隔を置いて回転子鉄心１０に設けられた複数の永久磁石挿入孔１１と、各永久磁石挿入孔１１に埋め込まれた永久磁石１２とが含まれている。なお、回転子１の外周に図示しない固定子が配置されることで、ＩＰＭモータが構成される。

各永久磁石挿入孔１１には、回転子鉄心１０の回転中心１０ａ側を頂部とするようにＶ字状に配置された第１及び第２挿入孔１１ａ，１１ｂと、その頂部において第１及び第２挿入孔１１ａ，１１ｂ間を仕切るブリッジ１１ｃとが含まれている。永久磁石１２は、第１及び第２挿入孔１１ａ，１１ｂ内にそれぞれ埋め込まれている。すなわち、永久磁石挿入孔１１に２つの永久磁石１２が埋め込まれている。

次に、図２は、図１のＩＰＭモータの回転子とは別のＩＰＭモータの回転子２を示す正面図である。なお、図１の回転子１に含まれる構成と同じ又は同様の構成には同じ符号を付して説明する。図２に示すように、回転子２には、回転子鉄心１０と、回転子鉄心１０の周方向に沿って互いに間隔を置いて回転子鉄心１０に設けられ複数の永久磁石挿入孔２０と、各永久磁石挿入孔２０に埋め込まれた永久磁石２１とが含まれている。回転子鉄心１０は、図１の回転子１の回転子鉄心１０と同様に、後述の素材鋼板が積層されることで形成されたものである。

各永久磁石挿入孔２０は、回転子鉄心１０の周方向に沿って９０°間隔で配置されている。各永久磁石挿入孔２０はそれぞれ直線状に形成されており、各永久磁石挿入孔２０に対して１つの永久磁石２１が埋め込まれている。

図１及び図２に示すような回転子１，２を用いたＩＰＭモータでは、周知のように、高速回転域で運転する際に、永久磁石１２の磁束を打ち消す方向の磁束を固定子側から発生させ、誘導起電力を抑制する弱め界磁制御が行われる。このようなＩＰＭモータの定格回転速度は、図１の回転子１を用いた場合には７５００ｒｐｍとされ、図２の回転子２を用いた場合には１００００ｒｐｍとされる。上述の弱め界磁制御は、これらの回転速度を超える高速回転域で行われる。

回転子鉄心１０は、磁界の強さが８０００Ａ／ｍである時の磁束密度Ｂ_８０００の値が１．７５Ｔ以上であるとともに、その時の残留磁束密度Ｂｒが０．５Ｔ以上かつ体積抵抗率ρが３０×１０^−８Ω・ｍ以上の素材鋼板が積層されることで形成される。

磁束密度Ｂ_８０００の値が１．７５Ｔ以上とされているのは、回転子１として高速回転する際に永久磁石１２を挿入した位置（ｄ軸）と挿入していない位置（ｑ軸）でのインダクタンスの値の差に基づくリラクタンストルクを有効に活用し、特に高速回転領域において従来の鋼板と同等以上のトルク性能を発揮するためである。

残留磁束密度Ｂｒが０．５Ｔ以上とされているのは、以下の通りである。即ち、ＩＰＭモータでは、永久磁石１２による磁石磁束（ｄ軸磁束）に加え、リラクタンストルクを得るために固定子側から回転子１内を貫通する磁束（ｑ軸磁束）を流し、高トルク化、高効率化を達成している。しかし、例えば「平成２３年度電気学会産業応用部門大会講演論文集、３−２４（２０１１）、ＰＩＩＩ−１７９」のように、モータへの入力電流を増加させ、ｑ軸磁束を増加させると、ｄ軸磁束との相互干渉によりｄ軸磁束の向きがずれて偏り、ｄ軸、ｑ軸インダクタンスの変化を通じて最大トルクを減少させることが知られている。この現象はｄｑ軸相互干渉と呼ばれ、本来のｄ軸磁束よりも回転方向前方では磁束が強め合い、後方では弱め合うことに起因しているが、電磁鋼板のように保磁力が小さく、残留磁束密度も小さい高透磁率材料では、回転方向の後方における磁束の弱め合いがスムーズに進行するのに対して、保磁力が大きな低透磁率材料では残留磁束密度が大きいことに起因して、磁束の弱め合いが抑制されるため、前述のｄ軸磁束のずれによる偏りが小さくなる。その結果として、ｄｑ軸相互干渉に伴う最大トルクの減少を抑制することが可能となる。本発明者らが種々の鋼板を素材としてＩＰＭモータを試作し、モータの性能評価を行ったところ、０．５Ｔ以上、好ましくは１．０Ｔ以上の残留磁束密度Ｂｒを有する鋼板を用いて回転子鉄心１０を形成することで、高速回転時に行う弱め界磁制御の消費電力を低減でき、出力トルクを向上できることが分かった。
なお、残留磁束密度Ｂｒは、転位等の格子欠陥や析出物等、磁壁の移動を妨げる障害の数を適宜制御することによって高めることが可能であり、本発明では、実施例において冷間圧延や高温域からの急冷による焼入れ処理による転位密度の上昇及び析出物制御によって残留磁束密度を高めている。

体積抵抗率ρが３０×１０^−８Ω・ｍ以上とされているのは、回転子１内における高調波成分に起因した渦電流損を抑制し、モータ効率を改善させるためである。前述のように、回転子鉄心１０に用いる素材鋼板の残留磁束密度Ｂｒを０．５Ｔ以上とすることで、ｄｑ軸相互干渉に伴うｄ軸磁束の偏りが抑制される。この効果は、高入力電流となる最大トルク域ほど顕著であり、素材鋼板の体積抵抗率ρの大小にかかわらず高トルク域においては、渦電流損に起因したモータ効率の低下はＳｉ含有量の大きな電磁鋼板と比べ大きくなっても電磁鋼板と同等以上のモータ効率が得られる。しかし、回転子鉄心１０に用いる素材鋼板の体積抵抗率ρを３０×１０^−８Ω・ｍ未満とした場合、低速回転かつ低トルク域でのモータ効率は電磁鋼板を素材とした場合とくらべ劣る場合がある。しかし、回転子鉄心１０に用いる素材鋼板の体積抵抗率ρを３０×１０^−８Ω・ｍ以上とすれば、低速回転域から高速回転域かつ低トルクから高トルク域までの広範囲な運転条件下で、電磁鋼板を回転子素材とした場合と同等以上の良好なモータ効率を得ることが可能となる。なお、ｄｑ軸相互干渉に伴うｄ軸磁束のずれは高残留磁束密度とすることで小さくなることから、残留磁束密度が小さい電磁鋼板と比べ低い体積抵抗率でも良好な効率が得られるのに加え、高残留磁束密度化は鋼板の結晶構造への欠陥の増加に起因しているため、高体積抵抗率化にも有効であり、比較的結晶内部の欠陥が少ない電磁鋼板等と比べてＳｉなど飽和磁束密度を低下させる合金元素の添加量も少なくでき、高飽和磁束密度化の観点でも有利となる。
なお、体積抵抗率ρは、Ｓｉ、Ｍｎ等の合金元素の添加及び電子の移動の障害となる転位等の格子欠陥の導入等により高めることが可能であるが、Ｃｏを除くほとんどの合金元素は鉄の飽和磁束密度を低下させるため、磁束密度Ｂ_８０００や残留磁束密度Ｂｒの低下を招く。従って、これら合金元素の添加は、磁束密度が低下し過ぎない範囲に制御する必要がある。

回転子鉄心１０におけるエネルギー損失は、主に入力電圧の時間高調波及び空間高調波に起因する渦電流損であるため、回転子鉄心１０の素材鋼板は、板厚が薄くなるほどモータ効率に有利となる。電磁鋼板の板厚は、０．５ｍｍ及び０．３５ｍｍが一般的であるが、本発明においては、電磁鋼板と同じ板厚でも十分な効果が認められるが、例えば０．３０ｍｍ以下とすることが好ましく、さらに０．２ｍｍ以下とすることがより好ましい。

回転子鉄心１０の素材鋼板は、降伏強度が７５０Ｎ／ｍｍ^２以上であることが好ましい。降伏強度をこのような範囲とすることで、回転子鉄心１０が高速回転時に永久磁石１２に作用する遠心力に耐えることができ、高速回転域においても回転子が破損することがない。しかも、本発明の回転子鉄心１０は、その素材鋼板が弱め界磁制御性に優れた鋼板であることにより高速回転域においてもトルクの低下が抑制されるため、高速回転と高トルクが得られる高性能のモータを提供できる。これにより、自動車・家電をはじめ各種用途への適用が可能となる。
図１の回転子１の各永久磁石挿入孔１１に設けられたブリッジ１１ｃは、各永久磁石挿入孔１１周辺の強度を確保するためのものである。素材鋼板自体に十分な強度を持たせることでブリッジ１１ｃの幅（第１及び第２挿入孔１１ａ，１１ｂの離間方向に沿うブリッジ１１ｃの幅）を小さくすることができ、それにより漏れ磁束を少なくできる。回転子鉄心１０の強度を高めることでブリッジ１１ｃの幅を小さくしても回転子１が破損せず漏れ磁束も低減できるのであれば、回転子１の設計自由度が高まる。また漏れ磁束の低減により永久磁石１２を小型化してもよいので、モータのコストを大幅に低減できる。また永久磁石１２を小さくせずに出力トルクの向上を図ることも可能となる。高速回転が可能になることによる高トルク化と永久磁石１２の小型化の両者を勘案してブリッジ１１ｃの幅を設計してもよい。
なお、回転子鉄心１０の素材鋼板の降伏強度の上限は、２０００Ｎ／ｍｍ^２である。これは、２０００Ｎ／ｍｍ^２を超える降伏強度を呈する材料では、磁界の強さが８０００Ａ／ｍである時の磁束密度Ｂ_８０００の値が１．７５Ｔ以上得られないためである。

本発明者らは、表１に示す成分組成を有する鋼を素材として、下記の製造方法Ａにより回転子鉄心１０の素材鋼板を製造した。
＜製造方法Ａ＞
表１に示す成分組成を有する鋼を真空溶解し、これらの連鋳片を１２５０℃に加熱し、９５０℃で仕上げ圧延して６２０℃で巻取り、板厚２．３ｍｍの熱間圧延鋼板を得た。これらの熱間圧延鋼板を酸洗した後、一回の冷間圧延で、一旦板厚１．２０ｍｍまで冷間圧延を施した後、連続焼鈍ラインにて８５０℃に６０秒均熱する条件で連続焼鈍を施した。その後、板厚０．３５ｍｍまで冷間圧延を施した（最終圧延率：約７１％）。ただし、Ｎｏ．６鋼においては、部分的に板厚０．３０ｍｍ（最終圧延率：約７５％）及び板厚０．２０ｍｍ（最終圧延率：約８３％）まで冷間圧延を施し、それぞれの板厚を有する冷延鋼帯を得た。得られた冷間圧延鋼帯を４５０℃に設定した連続炉に６０秒通板してテンションアニーリング処理（引張張力１００Ｎ／ｍｍ^２）を施した。また、その後、Ｃｒ系酸化物及びＭｇ系酸化物を含有する半有機組成の約１μｍの厚さの絶縁皮膜を鋼板の両面に形成した。

＜製造方法Ａで製造した素材鋼板の評価＞
得られた鋼帯からＪＩＳ５号試験片を切り出し、引張試験に供した。また、内径３３ｍｍ及び外形４５ｍｍのリング状の試験片を打抜きにより作製し、磁化測定に供した。各サンプルの降伏強さ、引張強さ、降伏比（ＹＲ）、磁界の強さが８０００Ａ／ｍのときの磁束密度（Ｂ_８０００）、残留磁束密度（Ｂｒ）、保磁力（Ｈｃ）及び体積抵抗率（ρ）を表２に示す。

また、本発明者らは、表１に示す成分組成を有する鋼を素材として、下記の製造方法Ｂにより回転子鉄心１０の素材鋼板を製造した。
＜製造方法Ｂ＞
実施例１と同様に表１に示す成分組成を有する鋼を真空溶解し、これらの連鋳片を１２５０℃に加熱し、９５０℃で仕上げ圧延して６２０℃で巻取り、板厚２．３ｍｍの熱間圧延鋼板を得た。これらの熱間圧延鋼板を酸洗した後、一回の冷間圧延で、一旦板厚１．２０ｍｍまで冷間圧延を施した後、連続焼鈍ラインにて８５０℃に６０秒均熱する条件で連続焼鈍を施した。その後、板厚０．３５ｍｍまで冷間圧延を施して得られた冷延鋼板を、９００℃まで加熱し，２５０℃に設定したＰｂ−Ｂｉ合金浴中へ通板して、１００℃／秒の平均冷却速度で２５０℃まで冷却し、引き続き４００℃に設定した電気炉中に６０秒保持しつつ、プレステンパーを施した。その後、Ｃｒ系酸化物及びＭｇ系酸化物を含有する半有機組成の約１μｍの厚さの絶縁皮膜を鋼板の両面に塗布した。

＜製造方法Ｂで製造した素材鋼板の評価＞
製造方法Ｂで製造した素材鋼板に対して、上述の製造方法Ａで製造した素材鋼板と同様の試験を行った。その結果を表３に示す。

更に、本発明者らは、表１に示す成分組成を有する鋼を素材として、下記の製造方法Ｃにより回転子鉄心１０の素材鋼板を製造した。
＜製造方法Ｃ＞
表１に示す成分組成を有する鋼の内、Ｎｏ．１，３，４，６及び９の連鋳片を製造方法Ａと同様にして１２５０℃に加熱し、９５０℃で仕上げ圧延して６２０℃で巻取り、板厚２．３ｍｍの熱間圧延鋼板を得た。これらの熱間圧延鋼板を酸洗した後、一回の冷間圧延で、一旦板厚１．２０ｍｍまで冷間圧延を施した後、連続焼鈍ラインにて８５０℃に６０秒均熱する条件で連続焼鈍を施した。得られた冷間圧延鋼帯を８２０℃に設定した連続炉に６０秒通板する再結晶焼鈍を施した。なお、冷却は８℃／秒で５５０℃まで冷却後、４５０℃に設定した連続炉中に１２０秒以上保持する過時効処理を施した。その後、０．３％の伸び率の軽冷延を行い、更にＣｒ系酸化物及びＭｇ系酸化物を含有する半有機組成の約１μｍの厚さの絶縁皮膜を鋼板の両面に形成した。

＜製造方法Ｃで製造した素材鋼板の評価＞
製造方法Ｃで製造した素材鋼板に対して、上述の製造方法Ａ，Ｂで製造した素材鋼板と同様の試験を行った。その結果を表４に示す。

＜ＩＰＭモータとしての評価＞
表５に示すように、製造方法Ａで製造したＮｏ．１鋼、Ｎｏ．６鋼、Ｎｏ．８鋼及びＮｏ．１０鋼、製造方法Ｂで製造したＮｏ．２鋼、Ｎｏ．３鋼及びＮｏ．５鋼、更には製造方法Ｃで製造したＮｏ．１鋼、Ｎｏ．３鋼、Ｎｏ．４鋼及びＮｏ．９鋼について、図３に示す８極（４極対）構造の第１回転子を打抜き加工により作製し、負荷トルクを付与したモータ性能評価試験に供した。なお、比較のため市販の電磁鋼板（３５Ａ３００）を素材とした回転子も同時に作製し、同様の評価に供した。また、固定子は１ヶのみ製造し、製造した回転子を組替えてモータとしての性能評価に供した。モータの最大出力はいずれも４．５ｋｗである。また、この性能評価では、１００００ｒｐｍ以上で弱め界磁制御を行った。
なお、市販の電磁鋼板（３５Ａ３００）について、本発明の素材鋼板と同様の方法による機械的特性と磁気的特性を評価したところ、次のとおりであった。
板厚 ０．３５ｍｍ
降伏強さ ３８１Ｎ／ｍｍ^２
引張強さ ５１１Ｎ／ｍｍ^２
飽和磁束密度Ｂ_８０００ １．７６Ｔ
残留磁束密度Ｂｒ ０．４２Ｔ
体積抵抗率ρ ５２．１×１０^−８Ω・ｍ
保磁力 ６１Ａ／ｍ

作製した回転子及び固定子の仕様は以下の通りである。
◎第１回転子の仕様
外径：８０．１ｍｍ、軸長５０ｍｍ
・積層枚数：０．３５ｍｍ/１４０枚
・センターブリッジ、アウターブリッジの幅：１．００ｍｍ
・永久磁石：ネオジム磁石（ＮＥＯＭＡＸ-３８ＶＨ）、９.０ｍｍ幅×３．０ｍｍ厚×５０ｍｍ長さ、合計１６ヶ埋め込み
◎固定子の仕様
・ギャップ長：０．５ｍｍ
・外径：１３８．０ｍｍ、ヨーク厚：１０ｍｍ、長さ：５０ｍｍ
・鉄心素材：電磁鋼板（３５Ａ３００）、板厚０．３５ｍｍ
・積層枚数：１４０枚
・巻線方式：分布巻き

それぞれの第１回転子を組込んだときの５０００ｒｐｍで２Ｎ・ｍ及び５Ｎ・ｍのトルクを付与した時の効率及び１５０００ｒｐｍにおけるモータの最大トルクと効率を表５に示した。また、図４に１５０００ｒｐｍにおける最大トルク及び効率と残留磁束密度との関係を示すとともに、図５に５０００ｒｐｍで２Ｎ・ｍ及び５Ｎ・ｍのトルクを付与した時の効率と体積抵抗率との関係を示す。

表５及び図４の結果から明らかなように、残留磁束密度Ｂｒが０．５Ｔ未満の鋼板（電磁鋼板、並びに製造方法Ｃで製造したＮｏ．１鋼及びＮｏ．３鋼）を回転子鉄心１０の素材とした回転子１を組込んだモータでは、１５０００ｒｐｍにおけるトルクが２．０Ｎ・ｍ未満の低い値を示し、効率も低い値を示した。これに対して、本発明範囲の磁束密度Ｂ_８０００と残留磁束密度Ｂｒと体積抵抗率ρとを有する素材鋼板を回転子鉄心１０としたモータでは２．０Ｎ・ｍを超える高いトルクと６０％以上の良好な効率が得られる。特に残留磁束密度が１．０Ｔ以上の領域では、２．４Ｎ・ｍ以上と更に高いトルクとが得られる。
一方、表５及び図５からわかるように、体積抵抗率ρが３０×１０^−８Ω・ｍ未満の鋼板（製造方法ＡのＮｏ．１鋼、製造方法ＢのＮｏ．２及びＮｏ．３鋼、製造方法ＣのＮｏ．１鋼及びＮｏ．３鋼）では５０００ｒｐｍ、２Ｎ・ｍの時の効率が８３％未満の低い値を示す。また、磁束密度Ｂ_８０００が１．７３Ｔと低い製造方法ＡによるＮｏ.１０鋼では、磁束密度が低いことに起因して５０００ｒｐｍ、５Ｎ・ｍ時の効率が低くなる。体積抵抗率ρの値が３０×１０^−８Ω・ｍ未満であると同時に残留磁束密度Ｂｒの値が０．５Ｔ未満と低い製造方法ＣのＮｏ．１鋼及びＮｏ．３鋼では、５０００ｒｐｍで２Ｎ・ｍ及び５Ｎ・ｍの時のいずれにおいても低い効率を示す。これに比べ、残留磁束密度Ｂｒが０．５Ｔ以上かつ体積抵抗率ρが３０×１０^−８Ω・ｍ以上の本発明例では、低速回転域で低トルクから高トルク域まで比較の電磁鋼板（３５Ａ３００）と同等以上の良好な効率が得られる。
更に、表５より製造方法ＡのＮｏ．６鋼について、板厚が薄くなるほど５０００ｒｐｍ、１５０００ｒｐｍのいずれにおいてもモータ効率が良好となることが確認できた。

＜ＩＰＭモータとしての評価＞
本発明者らは、製造方法Ｂで製造したＮｏ．４鋼（降伏強度が７５０Ｎ／ｍｍ^２を超えるもの）及び製造方法Ａで製造したＮｏ．６鋼（最も降伏強度が高かったもの）（以下、これらを超高強度鋼板と呼ぶ）を用いて、図６に示す第２回転子をさらに作製した。図６の第２回転子は、図３の第１回転子と比べてブリッジ幅を１／２に狭くして漏れ磁束を低減させ、永久磁石の大きさを幅９．０ｍｍから幅８．０ｍｍとした（約１１％小型化）したものである。また、１００００ｒｐｍ以上で弱め界磁制御を行った。

第２回転子の仕様は以下の通りである。なお、固定子については上記の磁束密度等の評価に用いたものを利用した。
◎第２回転子の仕様
外径：８０．１ｍｍ、軸長５０ｍｍ
・積層枚数：０．３５ｍｍ／１４０枚
・センターブリッジ、アウターブリッジの幅：０．５ｍｍ
・永久磁石：ネオジム磁石（ＮＥＯＭＡＸ-３８ＶＨ）、８.０ｍｍ幅×３．０ｍｍ厚×５０ｍｍ長さ、合計１６ヶ埋め込み

また、比較のため電磁鋼板（３５Ａ３００）を用いて第１及び第２回転子を作製し、５０００ｒｐｍ〜１５０００ｒｐｍまでの最大トルク及び効率を表６に合わせて示した。

表６に示すように、超高強度鋼板を回転子鉄心の素材に用いると、第２回転子のようにブリッジの幅を狭くしても、また、永久磁石を小型化したにも拘わらず、電磁鋼板を鉄心素材とした回転子と同等以上のモータ性能を有する回転子が得られることがわかる。特に１００００ｒｐｍを超える高速回転域では、保磁力に起因する弱め界磁性の向上により高トルクの良好な特性が得られることがわかる。

また、上記試験に用いた回転子を固定子から取り外して鋼製カバーを取り付けた状態とし、変速機を介して負荷モータへ接続して負荷モータ側から駆動させることによって、５００００ｒｐｍまでの過回転試験を行い回転子が遠心力により破壊する回転速度を調べた。その結果を表７に示す。

表７に示すように、回転子素材として電磁鋼板を用い、ブリッジ幅が１．０ｍｍである第１回転子では、３０４５０ｒｐｍで回転子が破壊し、ブリッジ幅を０．５ｍｍに狭くした第２回転子では、２５５００ｒｐｍで回転子が破壊した。これに対して、降伏強度が７５０Ｎ／ｍｍ^２以上の超高強度鋼板である製造方法ＢのＮｏ．４鋼を回転子素材として用いた場合、第１回転子では４３５００ｒｐｍまで破断せず、ブリッジ幅を０．５ｍｍに狭くした第２回転子でも電磁鋼板の第１回転子と同等以上の３６３００ｒｐｍまで破断しなかった。降伏強度が９５０Ｎ／ｍｍ^２以上である製造方法ＡのＮｏ．６鋼では、ブリッジ幅が０．５ｍｍの第２回転子の場合、４１０００ｒｐｍまで破断しなかった。このように、電磁鋼板に比べて本発明の超高強度鋼板を回転子素材に用いることで、高い回転数まで破断を回避できることが確認できた。
なお、破壊した回転子を調べたところ、どの回転子もインナーブリッジ部とアウターブリッジ部がともに塑性変形しているか破断しており、永久磁石が脱落していた。アウターブリッジ部とは、永久磁石挿入孔が回転子外周部と接近している梁部である。

＜ＩＰＭモータとしての評価＞
本発明者らは、製造方法ＡのＮｏ．６鋼の超高強度鋼板を用いて図２に示す回転子２（第３回転子）を作製し、モータ性能評価試験に供した。また、電磁鋼板を素材とした回転子も同時に作製し、同様の評価に供した。なお、ＩＰＭモータの最大出力は３．７ｋｗである。

作製した回転子及び固定子の仕様は以下の通りである。
◎第３回転子の仕様
外径：８０．０ｍｍ、軸長７５ｍｍ
・積層枚数：０．３５ｍｍ／２１０枚
・ブリッジの幅：３．０ｍｍ
・永久磁石：ネオジム磁石（ＮＥＯＭＡＸ−３８ＶＨ）、４０.０ｍｍ幅×２.０ｍｍ厚×７５ｍｍ長さ、合計４ヶ埋め込み
◎固定子の仕様
・ギャップ長：０．５ｍｍ
・外径：１６０．０ｍｍ、ヨーク厚：１７ｍｍ、長さ：７５ｍｍ
・鉄心素材：電磁鋼板（３５Ａ３００）、板厚０．３５ｍｍ
・積層枚数：２１０枚
・巻線方式：分布巻き

それぞれの回転子を用いたＩＰＭモータの５０００ｒｐｍ〜１２０００ｒｐｍまでの最大トルク及び効率を表８に示す。なお、１００００ｒｐｍを超える回転数で弱め界磁制御を行った。

表８に示すように、電磁鋼板を用いた場合、弱め界磁制御を行っても１２０００ｒｐｍでは回転できなくなった。これに対して、本発明範囲の磁束密度Ｂ_８０００と残留磁束密度Ｂｒと体積抵抗率ρとを有する製造方法ＡのＮｏ．６鋼を素材とした回転子では回転可能であり、より高速回転域までの駆動が可能であることがわかる。

１ 回転子
１０ 回転子鉄心
１０ａ 回転中心
１１ 永久磁石挿入孔
１１ａ，１１ｂ 第１及び第２挿入孔
１１ｃ ブリッジ
１２ 永久磁石

Claims (7)

1. 磁界の強さが８０００Ａ／ｍである時の磁束密度Ｂ_８０００の値が１．７５Ｔ以上であるとともに、その時の残留磁束密度Ｂｒが０．５Ｔ以上かつ体積抵抗率ρが３０×１０^−８Ω・ｍ以上の素材鋼板が積層されることにより形成された回転子鉄心と、
   前記回転子鉄心の周方向に互いに間隔をおいて前記回転子鉄心に設けられた複数の永久磁石挿入孔と、各永久磁石挿入孔に埋め込まれた永久磁石とを備えていることを特徴とするＩＰＭモータの回転子。
2. 前記素材鋼板の残留磁束密度Ｂｒが１．０Ｔ以上であることを特徴とする請求項１に記載のＩＰＭモータの回転子。
3. 前記素材鋼板の板厚が０．３０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のＩＰＭモータの回転子。
4. 前記素材鋼板の降伏強度は７５０Ｎ／ｍｍ^２以上であることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のＩＰＭモータの回転子。
5. 前記素材鋼板の降伏強度は９５０Ｎ／ｍｍ^２以上であることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のＩＰＭモータの回転子。
6. 前記素材鋼板の降伏強度は１３００Ｎ／ｍｍ^２以上であることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のＩＰＭモータの回転子。
7. 請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の回転子が組み込まれていることを特徴とするＩＰＭモータ。

Images