JP2018107928A

JP2018107928A - Ｉｐｍモータ用ロータ

Info

Publication number: JP2018107928A
Application number: JP2016253257A
Authority: JP
Inventors: 敬右金田; Takasuke Kaneda; 一昭芳賀; Kazuaki Haga; 真由美高澤; Mayumi Takazawa
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-12-27
Filing date: 2016-12-27
Publication date: 2018-07-05

Abstract

【課題】改質金属使用量の削減を図ることができるＩＰＭモータ用ロータを提供する。【解決手段】ＩＰＭモータ用ロータ１は、中心軸Ｏを中心に回転可能なロータコア１０と、ロータコア１０の回転方向に沿って所定の間隔で配置されるとともに、中心軸Ｏの軸方向に沿って設けられた複数の磁石用スロット１２と、磁石用スロット１２にそれぞれ埋設された永久磁石１１とを備える。永久磁石１１は、該永久磁石１１に加わる逆磁界の分布に合わせた保磁力分布を有するように形成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、電気自動車、ハイブリット車及び燃料電池自動車等の車両に搭載されるＩＰＭモータ（Interior Permanent Magnet Motor）用ロータに関する。

ＩＰＭモータ用ロータに設けられた磁石用スロットに埋設される永久磁石には、ステータコア側から入射してくる外部磁界による減磁に抗し得る保磁力が要求されている。永久磁石の保磁力を高めるために、改質金属として、ジスプロシウム（Ｄｙ）やテルビウム（Ｔｂ）といった重希土類元素、又はこれらの重希土類元素と遷移元素との合金などが選定され、選定された改質金属が永久磁石の表面から粒界拡散されたものが一般に適用されている。

しかし、ＤｙやＴｂなどの重希土類元素は高価であるので、コスト削減の観点からはこれらの重希土類元素使用量の削減が求められている。このような問題を解決するために、様々な技術開発が行われている。例えば下記特許文献には、磁石用スロット及び永久磁石のロータコア中心軸側の側面に凸部を設けることで、逆磁界以上の保磁力を保証できるとともに改質金属使用量を削減できることが開示されている。

特開２０１６−１４４２９０号公報

しかし、上述したＩＰＭモータ用ロータでは、改質金属使用量の削減に更なる改善余地が残されている。

本発明は、このような技術課題を解決するためになされたものであって、改質金属使用量の削減を図ることができるＩＰＭモータ用ロータを提供することを目的とする。

本発明者らは、上述課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、下記の発明により当該課題を解決できることを見出した。すなわち、本発明に係るＩＰＭモータ用ロータは、中心軸を中心に回転可能なロータコアと、該ロータコアの回転方向に沿って所定の間隔で配置された複数の磁石用スロットと、表面から保磁力を高める改質金属が拡散され、前記磁石用スロットにそれぞれ埋設された永久磁石と、を備え、前記永久磁石は、該永久磁石に加わる逆磁界の分布に合わせた保磁力分布を有するようにされていることを特徴としている。

ここで、本発明に至った経緯を説明する。上述課題を解決するために、本発明者らは、改質金属が粒界拡散された現状の永久磁石（以下、現状磁石という）に対し、その保磁力の分布及び必要とされる保磁力（以下、必要保磁力）の分布をそれぞれ求め、更に両者の比較を行った。なお、用いられた現状磁石は通常に使用される直方体（長さＬ、幅Ｗ、厚さｔ）のものであり、現状磁石の保磁力は厚さ半分（ｔ／２）の位置を基準としている。

図３は現状磁石の保磁力及び必要保磁力の分布を示すグラフであり、図３において横軸は現状磁石の幅方向位置、縦軸は保磁力をそれぞれ示す。

ここで、必要保磁力（必要とされる保磁力）とは、現状磁石がＩＰＭモータ用ロータ内に埋設される永久磁石の場合に、該永久磁石の幅方向の各部位におけるロータ内で曝される逆磁界以上の保磁力のことを意味する。逆磁界は、ステータコア側から入射してくる外部磁界と永久磁石内の反磁場の和のことである。そして、永久磁石の部位によって逆磁界の大きさが異なるため、必要保磁力は永久磁石の部位によって相違する。

図３に示すように、現状磁石の幅方向において、中央位置の必要保磁力が比較的小さく、左右両端にいくにつれて必要保磁力が徐々に大きくなっていく。このため、必要保磁力は略Ｖ字状の分布になっている。それに対し、現状磁石の保磁力は、必要保磁力以上の保磁力を有しており、全体としては略Ｕ字状の分布になっている。

そして、部位毎に現状磁石の保磁力と必要保磁力とを比較すると、左右両端及び中央位置における両者の差が大きいことが分かった。これは、左右両端及び中央位置において現状磁石の保磁力に余裕があること、すなわち、これらの部位において改質金属が余剰に拡散されることを意味している。そこで、本発明者らは、余裕のある部位の永久磁石の保磁力を必要保磁力に近づけるように下げることにより、改質金属の余剰拡散を防止し、もって改質金属使用量を削減できることを見出し、本発明を完成した。

以上の説明から理解できるように、本発明に係るＩＰＭモータ用ロータによれば、永久磁石は該永久磁石に加わる逆磁界の分布に合わせた保磁力分布を有するようにされているので、各部位において現状のように必要以上に高い保磁力とならずに、改質金属使用量の削減を図ることができる。

本発明によれば、改質金属使用量の削減を図ることができる。

ＩＰＭモータ用ロータの１／８モデルを示す平面図である。永久磁石を示す斜視図である。現状磁石の保磁力及び必要保磁力の分布を示すグラフである。保磁力勾配を説明するためのグラフである。永久磁石の製造方法を説明するための模式図である。永久磁石の他の製造方法を説明するための模式図である。永久磁石の他の製造方法を説明するための模式図である。保磁力勾配とＴｂ拡散源、Ｄｙ拡散源との関係を示すグラフである。永久磁石の他の製造方法を説明するための模式図である。

以下、図面を参照して本発明に係るＩＰＭモータ用ロータの実施形態について説明する。図１はＩＰＭモータ用ロータの１／８モデルを示す平面図である。ＩＰＭモータ用ロータ１は、主に、中心軸Ｏを中心に回転可能なロータコア１０と、ロータコア１０の回転方向に沿って所定の間隔で配置されるとともに、中心軸Ｏの軸方向に沿って設けられた複数の磁石用スロット１２と、磁石用スロット１２にそれぞれ埋設された永久磁石１１とを備えている。

ロータコア１０は、中央に軸穴が形成された複数の円環状の電磁鋼板を中心軸Ｏの軸方向に積層することにより形成されている。また、ＩＰＭモータ用ロータ１の外周側には、断面円環状のステータコアと該ステータコアに巻回された複数のコイル３とからなるステータ２が配置されている。

図２は永久磁石を示す斜視図である。永久磁石１１は、直方体（長さＬ、幅Ｗ、厚さｔ）形状を呈しており、その長手方向が中心軸Ｏの軸方向と平行になるように磁石用スロット１２内に挿入され、熱硬化性樹脂によって該磁石用スロット１２に固定されている。

図１に示すように、永久磁石１１は、ロータコア１０の回転方向に沿って所定の規則で配置されている。具体的には、永久磁石１１は、ロータコア１０の回転方向に沿って４５°（すなわち、１／８）毎に、３個（左側永久磁石１１Ｌ、中間永久磁石１１Ｍ及び右側永久磁石１１Ｒ）を略三角形に配置してなる１組とした構造になっている。

中間永久磁石１１Ｍは、ステータ２に最も近い側に位置し、その幅方向がロータコア１０の回転方向に沿うように配置されている。左側永久磁石１１Ｌは、中間永久磁石１１Ｍの左側に位置し、その幅方向がロータコア１０の径方向に沿うように配置されている。一方、右側永久磁石１１Ｒは、中間永久磁石１１Ｍの右側に位置し、その幅方向がロータコア１０の径方向に沿うように配置されている。そして、左側永久磁石１１Ｌと右側永久磁石１１Ｒとは、ステータ２側に向かって互いの距離が拡がるように逆ハ字状になっている。

永久磁石１１は、例えば磁性粉末を焼結して焼結体を形成し、焼結体に磁気的異方性を付与する熱間塑性加工等を施して形成された希土類磁石から構成されている。更に、この希土類磁石に対し、その表面から改質金属を粒界拡散させることにより、希土類磁石の内部組織を構成する主相と粒界相のうち、粒界相内を改質金属が粒界拡散しながら粒界相の改質を図り、保磁力を向上させて永久磁石が形成されるものである。

保磁力を向上させるのに適用される改質金属としては、Ｄｙ、ＴｂやＨｏといった重希土類元素のほか、Ｐｒ、Ｎｄなどの軽希土類元素や、これらの重希土類元素、軽希土類元素と他の金属との合金、あるいはこれらの化合物などが挙げられる。

本実施形態において、永久磁石１１は、該永久磁石１１に加わる逆磁界の分布に合わせた保磁力分布を有するよう形成されており、その保磁力分布は保磁力勾配で表されている。

図４は保磁力勾配を説明するためのグラフである。図４において、直線Ｓ以外は上述の図３と同様であるので、その重複説明を省略する。直線Ｓは、上述の必要保磁力分布における永久磁石１１幅方向の中央位置（Ｈｍｉｎ）と左端（Ｈｍａｘ）に対応する場所を結ぶ直線であって、その勾配が保磁力勾配になる。

すなわち、保磁力勾配＝（Ｈｍｉｎ−Ｈｍａｘ）／（Ｗ／２）である。そして、保磁力勾配の範囲は−１５〜−５ｋＡ／ｍ／ｍｍである。

或いは、保磁力勾配＝（Ｈｍｉｎ−Ｈｍａｘ）／（（Ｗ／２）×Ｈｍａｘ）×１００であり、このときの保磁力勾配の範囲は−１．０〜−１．５％／／ｍｍである。

このように構成されたＩＰＭモータ用ロータ１では、永久磁石１１が該永久磁石１１に加わる逆磁界の分布に合わせた保磁力分布となるように形成されているので、各部位での永久磁石の保磁力、必要保磁力及び逆磁界は、永久磁石の保磁力＝必要保磁力＝逆磁界の関係を満たすことになる。このため、各部位において現状のように必要以上に高い保磁力とならないので、改質金属使用量の削減を図ることができる。

上述の永久磁石１１は様々な方法で製造することができる。以下、その製造方法を説明する。

まず、上述したように、例えば直方体状の希土類磁石を作製した後、その表面から改質金属を粒界拡散させることで製造することができる。このときの拡散条件としては、現状の拡散温度８００〜１０００℃、拡散時間１５〜３０時間に対し、拡散温度７００〜９００℃、拡散時間２０〜５０時間といった低温長時間処理を実施することが好ましい。このようにすることで、表面側拡散源の改質金属濃度勾配が緩やかになり、幅方向の中央位置まで直線的に減衰する保磁力勾配を確実に得られる。

また、図５に示すように、幅の半分サイズ（Ｗ／２サイズ）の母材磁石に拡散源塗布法を用いて、左右両端部での拡散源の塗布厚さを変えて（すなわち、Ｈｍｉｎ側よりもＨｍａｘ側の塗布厚さを大きくする）上述の拡散処理を行い、２個の永久磁石片１１Ａ，１１Ａ’をそれぞれ作製する。その後、永久磁石片１１Ａ及び永久磁石片１１Ａ’のＨｍｉｎ側の端面同士を貼り合せることで、上述の保磁力勾配を有する永久磁石１１を製造することができる。

また、図６に示すように、幅方向に沿って均等に６分割し、均質の永久磁石片（１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄ，１１Ｄ’，１１Ｃ’，１１Ｂ’）としてそれぞれ作製する。これらの永久磁石片を作製する際に、上述の直線Ｓの勾配（すなわち、保磁力勾配）に対応する値をそれぞれの保磁力とする。その後、作製した各永久磁石片を図６に示す順序で貼り合わせることで、上述の保磁力勾配を有する永久磁石１１を製造する。

また、図７に示すように、高Ｈｃｊ（固有保磁力）側と低Ｈｃｊ側で異なる拡散源により拡散することで、上述の保磁力勾配を有する永久磁石１１を作製することができる。具体的には、図７に示すように、幅の半分サイズ（Ｗ／２サイズ）の母材磁石に拡散源塗布法で拡散処理を行う。その際に、Ｈｍａｘ側にＨｃｊを大きくアップできるＴｂ拡散、Ｈｍｉｎ側にＨｃｊのアップ代の少ないＤｙ拡散をそれぞれ行って、２個の永久磁石片１１Ｅ，１１Ｅ’をそれぞれ作製する。その後、永久磁石片１１Ｅ及び永久磁石片１１Ｅ’のＨｍｉｎ側の端面同士を貼り合せることにより、上述の保磁力勾配を有する永久磁石１１を製造する。

更に、図９に示すように、幅の半分サイズ（Ｗ／２サイズ）の母材磁石に対し、Ｈｍａｘ側にＴｂ拡散、Ｈｍｉｎ側にＤｙ拡散及びＴｂ拡散をそれぞれ行う。図８は保磁力勾配とＴｂ拡散源、Ｄｙ拡散源との関係を示すグラフである。図８に示すように、Ｄｙ拡散源とＴｂ拡散源の量比を変更することで、幅方向での保磁力勾配を自由に変えることができる。従って、Ｈｍｉｎ側に対してＤｙ拡散源とＴｂ拡散源の量比を変えることにより（Ｄｙ拡散源をＸ％と、Ｔｂ拡散源をＹ％としたとき、Ｘ＋Ｙ＝１００％）、保磁力勾配を制御することができ、所望の保磁力勾配を容易に得られる。

このような方法を利用し、２個の永久磁石片１１Ｆ，１１Ｆ’をそれぞれ作製する。その後、永久磁石片１１Ｆ及び永久磁石片１１Ｆ’のＨｍｉｎ側の端面同士を貼り合せることで、上述の保磁力勾配を有する永久磁石１１を製造することができる。

なお、Ｄｙ拡散源とＴｂ拡散源の量比を変更することにより幅方向での保磁力勾配を自由に変えることができるので、必要に応じてＨｍａｘ側（すなわち、高いＨｃｊ側）においてもこれらの拡散源を混合して拡散処理を行っても良い。

以上の説明では、保磁力勾配を永久磁石１１の幅方向で自由に変える製造方法を述べたが、永久磁石１１の厚さ方向で上述の拡散源塗布法等で拡散処理を行っても同様な効果を得られるのは言うまでもない。

更に、部位による保磁力勾配が大きい場合には、複数種類の拡散材を使い分けることにより、保磁力勾配を自由に変えて制御しても良い。また、図８に示す保磁力勾配Ｃのような場合も、拡散時間等を短縮することにより、保磁力勾配を制御することが可能である。

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。

１ＩＰＭモータ用ロータ
２ステータ
３コイル
１０ロータコア
１１永久磁石
１２磁石用スロット
Ｏ中心軸

Claims

中心軸を中心に回転可能なロータコアと、
該ロータコアの回転方向に沿って所定の間隔で配置された複数の磁石用スロットと、
表面から保磁力を高める改質金属が拡散され、前記磁石用スロットにそれぞれ埋設された永久磁石と、
を備え、
前記永久磁石は、該永久磁石に加わる逆磁界の分布に合わせた保磁力分布を有するようにされていることを特徴とするＩＰＭモータ用ロータ。