JP2018170940A - モータ - Google Patents

Abstract

【課題】 高性能かつ低コストであるモータを得る。【解決手段】 永久磁石を含むモータである。モータの内部で高温となっている高温部分に位置にする高温側永久磁石部分の保磁力が、モータの内部で高温側永久磁石部分よりも温度が低くなる低温部分に位置する低温側永久磁石部分の保磁力よりも高く設定してある。【選択図】 図１Ａ

Description

本発明は、モータに関する。

永久磁石を用いたモータにおける永久磁石としては、高い磁気特性が得られることから希土類永久磁石が盛んに用いられている。特に、Ｒ−Ｔ−Ｂ系永久磁石が盛んに用いられている。

しかし、永久磁石を使用したモータが駆動すると永久磁石内に渦電流が発生し、渦電流によって生じるジュール熱により永久磁石の温度が上昇する。そして、希土類永久磁石、特にＲ−Ｔ−Ｂ系永久磁石は、保磁力の温度係数が大きいため、高温で減磁しやすい。したがって、永久磁石として希土類永久磁石、特にＲ−Ｔ−Ｂ系永久磁石を用いる場合には、渦電流の発生によるモータの性能の低下が大きかった。

保磁力の高い永久磁石を使用することでモータの性能を向上させることは可能である。しかし、保磁力の高い永久磁石を得るためには原料費や工程負荷などを増大させる方法を採用する必要があり、永久磁石のコストアップ、ひいてはモータのコストアップにつながっていた。

上記の問題を解決する方法として、例えば、特許文献１では、永久磁石を分割し、永久磁石同士の間に絶縁層を挟むことで渦電流の発生を抑制してジュール熱の発生を低減する方法が記載されている。また、特許文献２では、モータ内部を冷却する冷媒の経路を工夫して冷却を強化する方法が記載されている。

特開２０００-３２４７３６号公報 特開２０１６-１２９７９号公報

本発明は、このような実状に鑑みてなされ、高性能かつ低コストであるモータを得ることを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明に係るモータは、
永久磁石を含むモータであって、
前記モータの内部で高温となっている高温部分に位置にする高温側永久磁石部分の保磁力が、前記モータの内部で前記高温側永久磁石部分よりも温度が低くなる低温部分に位置する低温側永久磁石部分の保磁力よりも高く設定してあることを特徴とする。

本発明に係るモータは上記の特徴を有することで、低コストかつ高性能なモータとなる。

本発明に係るモータは、前記高温側永久磁石部分の保磁力と前記低温側永久磁石部分の保磁力との差が８０ｋＡ／ｍ以上であってもよい。

本発明に係るモータは、前記永久磁石が一個体内に保磁力分布を有していてもよい。

本発明に係るモータは、前記高温側永久磁石部分および前記低温側永久磁石部分が同一個体の永久磁石に含まれていてもよい。

本発明に係るモータは、使用時において、前記永久磁石内に５℃以上の温度差がついてもよい。

本発明に係るモータは、前記永久磁石が希土類磁石であってもよい。

本発明に係るモータは、前記永久磁石がＲ−Ｔ−Ｂ系磁石であってもよい。

本発明に係るモータは、
前記モータの内部を冷却する冷却機構を有し、
前記冷却機構は冷媒を有し、
前記冷媒と前記永久磁石との距離が１０ｍｍ以内となる箇所が存在してもよい。

本発明に係るモータは、前記冷媒が油であってもよい。

本発明に係るモータは、ＩＰＭモータであってもよい。

本発明の一実施形態に係るＩＰＭモータの概略図である。 図１Ａのシャフトの軸方向に垂直な方向から見たロータの概略図、および、永久磁石の温度分布および保磁力分布を示すグラフである。 本発明の一実施形態に係るＳＰＭモータの概略図である。 図１Ｃのシャフトの軸方向に垂直な方向から見たロータの概略図である。 実施例１におけるＩＰＭモータの概略図である。 図２Ａのシャフトの軸方向に垂直な方向から見たロータの概略図、および、永久磁石の温度分布および保磁力分布を示すグラフである。 実施例２における焼結体の概略図である。 実施例２における永久磁石の５０ｍｍ×２１ｍｍの面の概略図である。 実施例３における成型体の概略図である。 実施例３における永久磁石の５０ｍｍ×２１ｍｍの面の概略図である。 実施例４における焼結体の概略図である。 実施例４における永久磁石の５０ｍｍ×２１ｍｍの面の概略図である。

以下、本発明を図１Ａおよび図１Ｂに示す実施形態に基づき説明する。

本実施形態にかかるモータ１はロータ２、ステータ３およびシャフト４からなるモータである。

ロータ２はロータ鉄心２ａを備えており、ロータ鉄心２ａ内部のスロット(図示せず)の中に永久磁石５が埋め込まれている。ロータ２の両端には端板（図示せず）があり、ロータ表面２ｂを構成している。ロータ２のスロットは端板によって封じられている。なお、スロットを封じている端板は永久磁石の固定強度が十分であれば、必須ではない。

ステータ３はステータ鉄心３ａおよびコイル６を備えている。ロータ２とステータ３はロータとステータとの間の空隙７を介して配置されている。なお、後述するようにロータとステータとの間の空隙７に冷媒を通過させてもよい。

ロータ２は冷却機構から供給される冷媒によって冷却されている。また、ステータ３もロータ２と同様にして冷却されている。

冷却機構は、モータ外部に配置されたラジエータ等の熱交換器であってよい。この場合、熱交換器から供給された冷媒は、後述するロータ表面に形成された冷媒経路８ｂ、ロータとステータとの間の空隙７および／または後述するロータ内部に形成された冷媒経路８ａを通過することによってモータ内部を冷却し、再びモータ外部の熱交換器へ運ばれる。

冷媒の種類には特に制限はないが、ロータ２およびステータ３に対して好適な冷却機能を発揮する冷媒を選定すればよい。例えば油であってよく、具体的には、冷却油を用いることができる。例えば、鉱物油、化学合成油等を用いることができる。また、冷媒は液体だけでなく、空気などの気体を冷媒として用いてもよい。

冷却効果をより高めるために、ロータ２の内部にはＩＰＭモータ１の特性に影響を与えない範囲で冷媒が通る冷媒経路８（ロータ内部に形成された冷媒経路８ａ）が設けられ、ロータ２の表面にはＩＰＭモータ１の特性に影響を与えない範囲で冷媒が通る冷媒経路８（ロータ表面に形成された冷媒経路８ｂ）が設けられていることが好ましい。また、冷媒経路８は可能な範囲で永久磁石５に近接している方が好ましい。冷媒経路８を通る冷媒と永久磁石５との距離が近くなり、冷却効率が高まる。冷媒経路８と永久磁石５との間の距離が１０ｍｍ以内となるように設計することがより好ましい。

また、冷媒経路８を介さずに直接、冷媒と永久磁石が接触してもよい。その場合はさらに冷却効果を高めることができる。また、冷媒経路を設ける箇所はロータ内部およびロータ表面だけに限定されず、シャフト内部に冷媒経路を設けてもよく、シャフト内部の冷媒経路からロータ内部に形成された冷媒経路８ａおよびロータ表面に形成された冷媒経路８ｂへ冷媒を供給する構造としてもよい。

永久磁石５はロータ鉄心２ａ内部のスロット（図示せず）の中に樹脂（図示せず）などによって固定されている。固定の方法は樹脂だけには限定されない。たとえば、永久磁石自身の磁力や、ろう付けによって固定されていてもよい。

樹脂の厚みは薄い方が冷却効率の観点から好ましく、１ｍｍ未満であってよく、１００μｍ未満であってもよい。樹脂の種類には特に限定はないが、後述する冷却効果を高めるために、熱伝導率がより高い樹脂を選択することが好ましい。室温での熱伝導率が０．２［Ｗ／ｍ・Ｋ］を越えるものであってよく、例えばフィラーを分散させたエポキシ樹脂などが挙げられる。また後述する渦電流を抑制するために樹脂の抵抗率は１×１０^５［Ω・ｍ］以上が好ましい。

分散させるフィラーとしては熱伝導率が高い物が好ましい。室温での熱伝導率が１［Ｗ／ｍ・Ｋ］を越えるものであってよく、例えば、シリカ、アルミナ等がある。また、室温で熱伝導率が１００［Ｗ／ｍ・Ｋ］を越えるものであってよく、たとえば、カーボン、Ａｌ等がある。

ロータ鉄心２ａ内部のスロットの中に固定される永久磁石５の配置には特に制限はなく、所望のモータ特性により決定すればよい。より良好なモータ特性を得るためには、永久磁石５が冷却されやすい箇所に配置されるようにロータ鉄心２ａを設計することが好ましい。

ロータ鉄心２ａの材質には特に制限はないが珪素鋼板からなることが好ましい。珪素鋼板を用いる場合には、珪素鋼板にスロットとなる穴を設けて複数枚を重ねあわせることによりロータ鉄心２ａを作製することができる。この場合の珪素鋼板の１枚あたりの厚さにも特に制限はないが、０．２５ｍｍ以上０．５０ｍｍ以下とすることが、温度制御を容易にする観点から好ましい。また、熱伝導率が高い方が好ましく、１０［Ｗ／ｍ・Ｋ］を越えるものであってよい。

永久磁石５には表面処理を施してもよい。たとえば、めっき、樹脂被覆、酸化処理または化成処理等によって被膜を形成することができる。この場合の被膜は熱伝導率が高いものが好ましく、熱伝導率が０．２［Ｗ／ｍ・Ｋ］以上であってよい。被膜の厚みは０．１μｍ以上、５００μｍ以下であってよい。被膜の厚さが厚くなるほど、永久磁石５の耐食性を向上させ、永久磁石５の腐食を抑制する傾向にある。一方、被膜の厚さが薄くなるほど、被膜による熱伝導の阻害を防止でき、冷却機構による永久磁石への冷却効果を好適に維持できる傾向にある。すなわち、十分な耐食性を有している永久磁石であれば、冷却効率を高めることを考慮して、被膜をより薄くすることが好ましい場合もあり、被膜がないことが好ましい場合もある。

例えば、ロータ内部に形成された冷媒経路８ａと永久磁石５との間には、ロータ鉄心２ａ(または端板)、樹脂等の永久磁石固定部材、および／または永久磁石５の表面に形成された被膜などが介在する。この場合に、ロータ内部の冷媒経路８ａと永久磁石５との間における熱の伝わりやすさをＸとし、ロータ鉄心２ａの熱伝導率をＡ１［Ｗ／ｍ・Ｋ］、冷媒経路８ａと永久磁石５との間に存在するロータ鉄心２ａの厚みをａ１［ｍ］、永久磁石固定部材の熱伝導率をＡ２［Ｗ／ｍ・Ｋ］、永久磁石固定部材の厚みをａ２［ｍ］、永久磁石５の表面に形成された被膜の熱伝導率をＡ３［Ｗ／ｍ・Ｋ］、永久磁石５の表面に形成された被膜の厚みをａ３［ｍ］とすると、Ｘは下記式（１）で表される。

１／Ｘ＝（ａ１／Ａ１）＋（ａ２／Ａ２）＋（ａ３／Ａ３） ・・・式（１）

Ｘの単位は［Ｗ／ｍ^２・Ｋ］である。なお、Ａ１，Ａ２，Ａ３，ａ１，ａ２およびａ３は必ずしも上記の定義に従う必要はなく、ロータ内部に形成された冷却経路８ａと永久磁石５との間に存在する介在物によって適宜設定できる。上記以外の介在物が存在する場合は、その厚みと熱伝導率の商を（ａ４／Ａ４），（ａ５／Ａ５），・・・として加える。逆に、介在物の数が少ない場合には、１／Ｘ＝（ａ１／Ａ１）である場合もあり、１／Ｘ＝（ａ１／Ａ１）＋（ａ２／Ａ２）である場合もある。

また、ロータ表面に形成された冷媒経路８ｂと永久磁石５との間でも、ロータとステータとの間の空隙７と永久磁石５との間でも、同様にして上記Ｘを算出することが可能である。

本実施形態では、Ｘ≧１０００［Ｗ／ｍ^２・Ｋ］である箇所が少なくとも１か所以上あることが、冷却効率を高める観点から好ましい。

本実施形態では、以下の様にして高モータ特性と低コストとを両立させる。

通常、ロータ表面に形成される冷媒経路８ｂには冷媒が供給されているため、ＩＰＭモータ１のうち、冷媒経路８ｂの近傍は冷媒温度に近似した温度となっている。冷媒の温度は２０℃以上８０℃以下程度となるように熱交換器（ラジエータ等）で制御するのが一般的である。一方で、ＩＰＭモータ１の内部であり冷媒経路８ｂからの距離が大きい部分は、使用用途によっては１００℃以上２００℃以下程度まで温度が上昇することがある。すなわち、冷媒経路８ｂからの距離が大きいためＩＰＭモータ１の内部で高温となっている高温部分と、前記高温部分よりも低温となっている低温部分とが存在する。

ここで、永久磁石５には、ＩＰＭモータ１の内部で高温となっている高温部分に位置にする高温側永久磁石部分と、前記高温側永久磁石部分よりも温度が低くなる低温部分（本実施形態では冷媒経路８ｂの近傍）に位置する低温側永久磁石部分とが存在することになる。低温側永久磁石部分における永久磁石５の温度は、高温側永久磁石部分における永久磁石５の温度に比べ低くなっている。ここで、通常は温度が高くなるほど永久磁石５の保磁力は低下する。すなわち、既存の永久磁石５を用いてＩＰＭモータ１を作製する場合には、ＩＰＭモータ１の使用時において、冷媒経路８ｂに近接している低温側永久磁石部分は保磁力が高くなっている。

しかし、冷媒経路８ｂに近接している部分、すなわち低温側永久磁石部分の保磁力が高くても、ＩＰＭモータ１のモータ特性に与える影響は小さい。したがって、低温側永久磁石部分については、より低保磁力な永久磁石へ置き換えてもＩＰＭモータ１のモータ特性を高く維持することができる。ここで、通常は永久磁石の保磁力が低いほどコストも低くなる。したがって、永久磁石５のうちの低温側永久磁石部分において、より低保磁力な永久磁石へ置き換えることで、高モータ特性かつ低コストであるＩＰＭモータ１を実現することができる。

ＩＰＭモータ１のモータ特性を高く維持したまま永久磁石５を低保磁力な磁石へ置き換えることができる割合は、ＩＰＭモータ１の使用時において、ロータ２の内部に埋め込まれた永久磁石５に生じる温度分布により決定される。具体的には、永久磁石５のうち温度がより低い部分において、より低保磁力（低コスト）な磁石に置き換えることができる。したがって、ＩＰＭモータ１の使用時において、永久磁石５に大きな温度差が生じる場合、すなわち、高温側永久磁石部分と低温側永久磁石部分との温度差が大きい場合に、より低コスト化しやすくなる。

また、一般的には保磁力と残留磁束密度とは相反する特性である。すなわち、保磁力が高くなるほど残留磁束密度が低くなる傾向にある。逆に保磁力が低くなるほど残留磁束密度が高くなる傾向にある。したがって、永久磁石５の低温側永久磁石部分を低保磁力化した分、永久磁石５の全体として高残留磁束密度化することができる。そして、永久磁石５の保磁力分布の設計によっては、ＩＰＭモータ１の出力を向上させ、より高いモータ特性を得ることができる。

ＩＰＭモータ１の使用時において、永久磁石５の高温側永久磁石部分と低温側永久磁石部分との間に少なくとも５℃以上の温度差が生じることが好ましく、１０℃以上の温度差が生じることが更に好ましい。設計のパーミアンスにもよるが、ＩＰＭモータの使用時において高温側永久磁石部分よりも低温側永久磁石部分の温度が５℃低い部分には、低温側永久磁石部分に用いられる永久磁石の室温での保磁力を、高温側永久磁石部分に用いられる永久磁石の室温での保磁力よりも概ね８０ｋＡ／ｍ低くすることができる。

なお、ロータ鉄心２ａに設けられる1つのスロットに対して挿入される永久磁石５は一個体の永久磁石からなっていてもよく、複数個体の永久磁石からなっていてもよい。

ロータ鉄心２ａに設けられる1つのスロットに対して挿入される永久磁石５が一個体の永久磁石のみからなっている場合には、当該永久磁石の一個体内に保磁力分布が存在することが必須である。好ましくは、当該保磁力分布がＩＰＭモータ１の使用時に生じる温度分布と同様な分布となるようにする。

一個体の永久磁石内部に保磁力分布を付加する方法に制限はなく、例えばコストが最小となるような方法を選定すればよい。例えば、永久磁石に重希土類元素（例えばＤｙ、Ｔｂ等）を粒界拡散させることによって、粒界拡散された部分の保磁力を高くする方法が挙げられる。また、他の例としては、成型前に保磁力の異なる複数種類の磁性粉末を準備し、低保磁力とする部分（低温側永久磁石部分）には低保磁力な磁性粉末を充填し、高保磁力とする部分（高温側永久磁石部分）には高保磁力な磁性粉末を充填して成型し、焼結する方法が挙げられる。さらに、他の例としては、長時間焼結を施すことで希土類成分を液相化させ、表面張力の作用等により永久磁石内部に組成の偏りを発生させ、保磁力分布を有する永久磁石を作製する方法が挙げられる。

永久磁石５が複数個体の永久磁石からなる場合には、複数個体の永久磁石を１つのスロットに挿入する。１つのスロット内に隣接して挿入されている永久磁石間の抵抗は渦電流対策の為に１Ω以上とすることが好ましい。

好ましくは、保磁力分布がＩＰＭモータ１の使用時に生じる温度分布と同様な分布となるように保磁力が互いに異なる複数個体の永久磁石を配置する。さらに、各永久磁石間に絶縁層を挟むことで渦電流対策を施してもよい。

永久磁石５として用いられる永久磁石の種類には特に制限はない。希土類磁石を用いることが特性とコストとのバランスを考慮すれば好ましく、その中でもＲ−Ｔ−Ｂ系永久磁石を用いることが好ましい。なお、Ｒは１種以上の希土類元素、ＴはＦｅまたはＦｅおよびＣｏを必須とする１種以上の遷移金属元素、Ｂはホウ素である。また、ホウ素の一部を炭素に置換してもよい。

以下、本実施形態に係る永久磁石５として用いられるＲ−Ｔ−Ｂ系永久磁石の一種であるＲ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石の製造方法について説明するが、特記しない事項については、公知の方法を用いればよい。また、Ｒ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石の製造方法は下記の方法に限定されない。

本実施形態に係るＲ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石は通常の粉末冶金法により製造することができ、該粉末冶金法は、原料合金を調製する調製工程、前記原料合金を粉砕して原料微粉末を得る粉砕工程、前記原料微粉末を成型して成型体を作製する成型工程、前記成型体を焼結して焼結体を得る焼結工程、及び前記焼結体に時効処理を施す熱処理工程を有する。

調製工程は、本実施形態に係る希土類磁石に含まれる各元素を有する原料合金を調製する工程である。まず、所定の元素を有する原料金属等を準備し、これらを用いてストリップキャスティング法等を行う。これによって原料合金を調製することができる。原料金属等としては、例えば、希土類金属や希土類合金、純鉄、フェロボロン、カーボン、またはこれらの合金が挙げられる。これらの原料金属等を用い、所望の組成を有する希土類磁石が得られるような原料合金を調製する。

調整方法の一例としてストリップキャスティング法を説明する。ストリップキャスティング法は、溶湯をタンディッシュに流し込み、タンディッシュからさらに内部が水冷された回転する銅ロール上に、前記原料金属等を溶解させた溶湯を流して冷却凝固させるものであるが、凝固時の冷却速度は、溶湯の温度、供給量、冷却ロールの回転速度を調節することによって所望の範囲に制御することができる。前記凝固時の冷却速度は、作製しようとする希土類磁石の組成等の条件に応じて適宜設定することが好ましいが、好ましくは５００℃／秒以上１１０００℃／秒以下で行えばよい。

粉砕工程は、調製工程で得られた原料合金を粉砕して原料微粉末を得る工程である。この工程は、粗粉砕工程及び微粉砕工程の２段階で行うことが好ましいが、微粉砕工程のみの１段階としても良い。

粗粉砕工程は、例えばスタンプミル、ジョークラッシャー、ブラウンミル等を用い、不活性ガス雰囲気中で行うことができる。水素吸蔵粉砕をおこなってもよい。水素吸蔵粉砕とは、原料合金に水素を吸蔵させた後に脱水素を行う粉砕方法である。粗粉砕工程においては、粒径Ｄ５０が数百μｍ以上数ｍｍ以下程度の粗粉末となるまで原料合金を粉砕する。

微粉砕工程は、粗粉砕工程で得られた粗粉末（粗粉砕工程を省略する場合には原料合金）を微粉砕して、粒径Ｄ５０が数μｍ程度の原料微粉末を調製する。原料微粉末の平均粒径は、焼結後の結晶粒の成長度合を勘案して設定すればよい。微粉砕は、例えば、ジェットミルを用いて行うことができる。

微粉砕の前には粉砕助剤を加えることができる。粉砕助剤を加えることで粉砕性を改善し、成型工程での磁場配向を容易にする。粉砕助剤の種類には特に制限はない。例えばオレイン酸アミド、ラウリン酸アミドなどが挙げられる。粉砕助剤の添加量にも特に制限はない。例えば０．０５ｗｔ％以上０．２ｗｔ％以下とすることができる。

成型工程は、原料微粉末を磁場中で成型して成型体を作製する工程である。具体的には、原料微粉末を電磁石中に配置された金型内に充填した後、電磁石により磁場を印加して原料微粉末の結晶軸を配向させながら、原料微粉末を加圧することにより成型を行うことで成型体を作製する。この磁場中の成型は、例えば、１０００ｋＡ／ｍ以上１６００ｋＡ／ｍ以下の磁場中、３０ＭＰａ以上３００ＭＰａ以下の圧力で行えばよい。

焼結工程は、成型体を焼結して焼結体を得る工程である。前記磁場中の成型後、成型体を真空もしくは不活性ガス雰囲気中で焼結し、焼結体を得ることができる。焼結条件は、成型体の組成、原料微粉末の粉砕方法、粒度等の条件に応じて適宜設定すればよい。

熱処理工程は、焼結体を時効処理する工程である。熱処理は５００℃以上９００℃以下の温度範囲で行えばよく、２段階に分けて行ってもよい。また、熱処理後の冷却速度には特に制限はない。また、後述する粒界拡散時の熱処理が前記熱処理工程を兼ねてもよい。

本実施形態では、前記焼結体に対して、重希土類元素を粒界拡散させる工程を有してもよい。特に、1つのスロットに対して挿入される永久磁石５が１つの永久磁石のみからなる場合において、１つの永久磁石の中で保磁力分布を付加する際には、重希土類元素を粒界拡散させることが有効である。

粒界拡散は、まず、必要に応じて前処理を施した焼結体の表面に重希土類元素を付着させる。前処理の内容には特に制限はない。例えば公知の方法でエッチングを施した後に洗浄し、乾燥する前処理が挙げられる。

重希土類元素の付着は、保磁力を向上させる部分およびその近傍に対して行う。重希土類元素を付着させる方法には特に制限は無い。例えば、蒸着、スパッタリング、電着、スプレー塗布、刷毛塗り、ディスペンサ、ノズル、スクリーン印刷、スキージ印刷、シート工法等を用いる方法がある。

重希土類元素を付着させた後に熱処理を行うことにより、粒界拡散を実施することができる。これにより、最終的に得られるＲ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石の保磁力、特に重希土類元素を付着させた箇所における保磁力をさらに向上させることができる。

粒界拡散時の熱処理条件には特に制限はない。通常は真空または不活性ガス中において熱処理を実施する。熱処理温度および熱処理時間にも特に制限はない。例えば８００℃以上１０００℃以下で１２時間以上１００時間以下、熱処理を行えばよい。また、熱処理後に４００℃以上７００℃以下で１時間以上６時間以下、時効処理を行ってもよい。

以上の工程により得られたＲ−Ｔ−Ｂ系焼結体は、めっきや樹脂被膜や酸化処理、化成処理などの表面処理を施してもよい。

本実施形態に係るＩＰＭモータ１の製造方法に特に制限はなく、公知の方法を用いることができる。

また、本実施形態に係るＲ−Ｔ−Ｂ系永久磁石は焼結を行うことにより製造されるＲ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石に限定されない。例えば、焼結の代わりに熱間成型および熱間加工を行い製造されるＲ−Ｔ−Ｂ系永久磁石であってもよい。

室温にて原料粉末を成型することにより得られる冷間成型体に対して、熱間において加圧して熱間成型を行うと、冷間成型体に残存する気孔が消滅し、焼結によらずに緻密化させることができる。さらに、熱間成型により得られた成型体に対して熱間加工として熱間押出し加工を行うことにより、所望の形状を有し、かつ、磁気異方性を有するＲ−Ｔ−Ｂ系永久磁石を得ることができる。

また、本実施形態に係るＩＰＭモータ１の用途には特に制限はない。例えばエアコン等のコンプレッサーの他、自動車（特にＨＶ、ＨＥＶ、ＦＣＶ等）のコンプレッサーにも用いることができる。

以上、図１Ａおよび図１Ｂに示すＩＰＭモータ１の場合について説明してきたが、本発明はＩＰＭモータに限定されない。例えば、ＳＰＭモータ、リニアモータ、永久磁石直流モータ、ボイスコイルモータ、振動モータなどのモータであっても、モータ内に温度分布を有していれば適用可能である。

上記のモータのうち、ＳＰＭモータについて図面を用いてＩＰＭモータと比較しながら説明する。特に記載の無い事項は本実施形態に係るＩＰＭモータと同様である。

図１Ｃに示すＳＰＭモータ１００は、図１Ａに示すＩＰＭモータ１とは永久磁石５の位置が異なる。ＩＰＭモータ１では永久磁石５がロータ２の内部に埋め込まれる形となっているのに対し、ＳＰＭモータ１００では永久磁石５がロータ２の外側に貼り付けられる形となっている。

また、図１Ｃおよび図１Ｄに示すように、ＳＰＭモータ１００でもＩＰＭモータ１と同様に、ロータ２の冷却はロータ表面に形成される冷媒経路８ｂ、ロータとステータとの間の空隙７およびロータ内部に形成される冷媒経路８ａから行われる。

ＩＰＭモータ１は、比較的、高い回転数が要求される用途に特に好適に用いられる。例えば、エアコンのコンプレッサーや自動車の駆動用モータなどに特に好適に用いられる。これに対し、ＳＰＭモータ１００は比較的、精密な動作が要求される用途に特に好適に用いられる。例えば、パワーステアリング、サーボモータなどに特に好適に用いられる。

以下、本発明の内容を実施例及び比較例を参照してさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

（実験例１）
図２Ａおよび図２Ｂに示すＩＰＭモータ１を作製した。ロータ内部には複数の冷媒経路８ａが設けられ、ロータ表面にも冷媒経路８ｂが設けられている。冷却機構として、ラジエータ（熱交換器）を用いた。ラジエータはＩＰＭモータ１の外部に設けた。ＩＰＭモータ１の永久磁石５は、ラジエータから供給される冷媒によって、ロータ表面に形成された冷媒経路８ｂ、ロータとステータとの間の空隙７およびロータ内部に形成された冷媒経路８ａから冷却される。冷媒としては冷却油を使用した。ＩＰＭモータ１の使用中、冷却油の温度が常に５０℃近傍となるようにラジエータにて制御した。冷却油は、ポンプにより循環されており、ラジエータからＩＰＭモータ１に運ばれた冷却油はロータとステータの間の空隙７および冷媒経路８（ロータ内部に形成された冷媒経路８ａおよびロータ表面に形成された冷媒経路８ｂ）を通過し、ＩＰＭモータ１の内部を冷却したのちに再びラジエータに送り込まれ５０℃近傍に冷却されて再びＩＰＭモータ１へと送られる。

永久磁石５の大きさは５０ｍｍ×２１ｍｍ×３ｍｍである。永久磁石５はカーボンをフィラーとしたエポキシ樹脂によってスロット（図示せず）に固定した。また、後述する複数個体の永久磁石間も樹脂によって固定した。

実験例１では永久磁石５と冷媒との距離が最も小さい部分はロータ表面に形成された冷媒経路８ｂと永久磁石５との間の部分であり、その距離は０．９ｍｍであった。実験例１の当該部分において式１のＸを計算すると約４８００Ｗ／ｍ^２・Ｋであった。

実施例１では永久磁石５として特性に優れ低コストであるＲ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石を採用した。ロータ２のスロットの大きさは永久磁石５を挿入する際の容易さを考慮して、５０ｍｍ×２１．３ｍｍ×３．３ｍｍとした。すなわち、永久磁石５の２１ｍｍの部分および３ｍｍの部分について、０．３ｍｍ大きく設計している。５０ｍｍの方向がＩＰＭモータ１のシャフト４と水平な方向であり、図２Ａに示すように３．３ｍｍの方向がステータ３に向かう方向である。なお、この３．３ｍｍの方向が永久磁石５の着磁方向となるようにした。

Ｒ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石の電気伝導率および熱伝導率は、当該Ｒ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石の保磁力を変化させても大きく変化しない。したがって、実験例１のように複数の永久磁石を同一のスロットに挿入する場合でも、基本的には複数の永久磁石を１つの永久磁石５としてみなしてシミュレーションすることができる。Ｒ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石の保磁力を選定するため、事前にコンピュータにてＩＰＭモータ１の温度分布をシミュレーションした。モータの回転数を８０００ｒｐｍで駆動させた際の永久磁石５の中央部の最高温度は２００℃であった。また、スロットの５０ｍｍ方向の一方の最外部（永久磁石５がロータ表面２ｂに露出している部分）は最高温度６０℃であった。スロットの５０ｍｍ方向の最外部を原点（０ｍｍ）とすると、シャフト４に沿ってスロットの奥に向かう方向における１０ｍｍ部分は最高温度１４０℃、２０ｍｍ部分は最高温度１９０℃であると解析された。２５ｍｍ部分（磁石の中央部分）は最高温度２００℃であり、以降３０ｍｍ部分は１９０℃、４０ｍｍ部分は１４０℃、５０ｍｍ部分（永久磁石２の他方の最外部）は６０℃であった。具体的には図２Ｂに示す温度変化となる。これは、ロータ内部に形成された冷媒経路８ａからの冷却よりもロータ表面に形成された冷媒経路８ｂからの冷却の方が、冷却効果が大きいことを示している。冷媒経路８ａと永久磁石５の距離は最短でおよそ３０ｍｍであった。この値より冷媒経路８ａと永久磁石５との間でＸを計算すると約７５０Ｗ／ｍ^２・Ｋであり、冷却経路８ｂと永久磁石５との間でのＸ＝約４８００Ｗ／ｍ^２・Ｋより低い値となっていた。

この結果から、永久磁石５として用いられるＲ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石に必要な室温保磁力を逆算した。その結果、一方の最外部（０ｍｍ）から１０ｍｍまで、および、４０ｍｍからもう一方の最外部（５０ｍｍ）までは保磁力１７９０ｋＡ／ｍのＲ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石(以降、低保磁力磁石５ａ)。１０ｍｍから４０ｍｍまでは保磁力２００７ｋＡ／ｍのＲ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石（以降、高保磁力磁石５ｂ）を採用した。なお、低保磁力磁石５ａの残留磁束密度は１３５７ｍＴ、高保磁力磁石５ｂの残留磁束密度は１３１２ｍＴであった。

保磁力１７９０ｋＡ／ｍ、残留磁束密度１３５７ｍＴである低保磁力磁石５ａは、表１に示す組成となる合金αをストリップキャスト法で作製し、水素粉砕を施した。オレイン酸アミドを０．１ｗｔ％添加したのちに、酸素量が１００ｐｐｍ以下である雰囲気下でジェットミルにて微粉砕して粒径Ｄ５０が３μｍである微粉αを得た。微粉αを金型に充填し、１５００ｋＡ／ｍの磁場で磁場中成型した。この成型体を１０５０℃で５時間焼結し、加工機にて加工を行うことで２個の１０ｍｍ×２１ｍｍ×３ｍｍの焼結磁石を得た。なお、磁場中成型における磁場の方向は最終的に得られる焼結磁石の３ｍｍの辺と平行な方向とした。なお、焼結磁石の製造後に保磁力および残留磁束密度を測定し、保磁力１７９０ｋＡ／ｍ、残留磁束密度１３５７ｍＴであることを確認した。

保磁力２００７ｋＡ／ｍ、残留磁束密度１３１２ｍＴである高保磁力磁石５ｂは、表１に示す組成となる合金βをストリップキャスト法で作製し、水素粉砕を施した。オレイン酸アミドを０．１ｗｔ％添加したのちに、酸素量が１００ｐｐｍ以下である雰囲気下でジェットミルにて微粉砕して粒径Ｄ５０が３μｍである微粉βを得た。微粉βを金型に充填し、１５００ｋＡ／ｍの磁場で磁場中成型した。この成型体を１０５０℃で５時間焼結し、加工機にて加工を行うことで３０ｍｍ×２１ｍｍ×３ｍｍの焼結磁石を得た。なお、磁場中成型における磁場印加方向は最終的に得られる焼結磁石の３ｍｍの辺と平行な方向とした。なお、焼結磁石の製造後に保磁力および残留磁束密度を測定し、保磁力２００７ｋＡ／ｍ、残留磁束密度１３１２ｍＴであることを確認した。

なお、微粉αおよび微粉βの希土類量を確認したところ、合金αと微粉αとで希土類量は概ね一致し、合金βと微粉βとで希土類量は概ね一致していた。

低保磁力磁石５ａおよび高保磁力磁石５ｂをスロットに挿入し、ロータ２と永久磁石５（低保磁力磁石５ａおよび高保磁力磁石５ｂ）とを樹脂にて固定した。

ＩＰＭモータ１が駆動している最中におけるＩＰＭモータ１の実際の内部温度を測定することは現実的には困難である。そのため、実施例１のＩＰＭモータと、実施例１の１０ｍｍ×２１ｍｍ×３ｍｍの低保磁力磁石５ａを全て高保磁力磁石５ｂとした点以外は実施例１と同様に製造した比較例1のＩＰＭモータと、実施例１の３０ｍｍ×２１ｍｍ×３ｍｍの高保磁力磁石５ｂを低保磁力磁石５ａとした点以外は実施例１と同様に製造した比較例２のＩＰＭモータとを８０００ｒｐｍで連続的に回転させ、駆動時間による出力の低下が見られるか否かで熱減磁が発生しているか否かを確認した。シミュレーションによれば、試験開始から３０分で、永久磁石５の温度が８０００ｒｐｍでの最高温度に達する。なお、この場合の出力とは角速度×トルクで表される。

実施例１のＩＰＭモータ１について、試験開始直後の出力を１とした場合における時間に対する出力変化の結果を表２に示す。

実施例１と比較例１は時間の経過に対して実質的に出力が低下していない。比較例２のみ、時間の経過に対して顕著な出力の低下がみられた。すなわち、比較例２のみ、永久磁石が熱減磁してしまったものと考えられる。また、比較例１は時間の経過に対する出力の低下は見られないものの、実施例１に対して出力が小さい。比較例１で使用している磁石の一部が、実施例１で使用している磁石に対して低い残留磁束密度となっており、比較例１のフラックスが実施例１のフラックスと比べて小さいためである。

Ｒ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石は、原材料の価格変動などによってもコストが変化するが、一般的には保磁力が高くなるほど高コストとなる。したがって、全てのＲ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石を高保磁力磁石５ｂとする比較例１に対して、一部のＲ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石を低保磁力磁石５ａとする実施例１は低コストとなる。

また、一般に保磁力と残留磁束密度とは相反する特性である。したがって、全てのＲ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石を高保磁力磁石５ｂとする比較例１に対して、一部のＲ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石を低保磁力磁石５ａとする実施例１は永久磁石５が高残留磁束密度となる。その結果、フラックスが増大し、ＩＰＭモータ１の出力が向上し、ＩＰＭモータ１の性能が向上する。

（実験例２）
実験例２では、粒界拡散法を用いて、内部に保磁力分布を持つＲ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石を作製した。そして、内部に保磁力分布を持つ一個体のＲ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石を永久磁石５として、実験例１と同様にＩＰＭモータ１を製作した。以下、内部に保磁力分布を持つＲ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石の製造方法を詳しく示す。

表１に示す組成となる合金Ａをストリップキャスト法で作製し、水素粉砕を施した。オレイン酸アミドを０．１ｗｔ％添加したのちに、酸素量が１００ｐｐｍ以下である雰囲気下でジェットミルにて微粉砕して粒径Ｄ５０が３μｍである微粉Ａを得た。

微粉Ａの希土類量を確認したところ、合金Ａと微粉Ａとで希土類量は概ね一致していた。

微粉Ａを金型に充填し、１５００ｋＡ／ｍの磁場で磁場中成型した。この成型体を１０５０℃で５時間焼結して図３に示す５０ｍｍ×２１ｍｍ×４０ｍｍの焼結体１０を得た。なお、磁場印加方向は、４０ｍｍの辺と平行な方向とした。

得られた焼結体１０を５０ｍｍ×２１ｍｍ×３ｍｍの永久磁石１０枚となるように、加工機にてスライス加工した。その後、図４に示すように、５０ｍｍ×２１ｍｍの面の長手方向（５０ｍｍ方向）の一方の端から１０ｍｍ〜４０ｍｍの範囲にかけてＴｂ水素化物付着部分１５ｂを設定し、Ｔｂ水素化物（ＴｂＨ_２）を付着させた。その後、９００℃で２４時間の拡散処理を施した。拡散後、５００℃で１時間の時効処理を行った。拡散処理を施した焼結体１５は拡散処理の効果で図４に示す低希土類領域１５ａおよび高希土類領域１５ｂを有していた。

確認の為、低希土類領域１５ａおよび高希土類領域１５ｂから、それぞれ３ｍｍ×３ｍｍ×３ｍｍの部分を切り出し、サンプリングした。具体的には、図４に示す保磁力測定部分１５ａ１および１５ｂ１をサンプリングした。パルス励磁型磁気特性測定装置で保磁力を測定したところ、低希土類領域１５ａから切り出したサンプルは保磁力が１７７９ｋＡ／ｍであり、高希土類領域１５ｂから切り出したサンプルは保磁力が２００５ｋＡ／ｍであった。なお、低希土類領域１５ａから切り出したサンプルの残留磁束密度は１３６１ｍＴ、高希土類領域１５ｂから切り出したサンプルの残留磁束密度は１３５０ｍＴであった。

なお、図４では、低希土類領域１５ａと保磁力測定部分１５ａ１とでハッチングを変更しているが、実質的には物としての相違がない。同様に高希土類領域１５ｂと保磁力測定部分１５ｂ１とでハッチングを変更しているが、実質的には物としての相違がない。

上記の方法にて得られたＲ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石を図２の永久磁石５として、実験例１と同様にＩＰＭモータ１に組み込み、実施例１と同様な試験を実施した。表２に示す良好な結果が得られた。

実施例１に対して実施例２の出力が高いのは、表２からも明らかなように、同等な保磁力で残留磁束密度が高いためである。同等な保磁力で残留磁束密度が高くなるのは粒界拡散法を用いた効果であると考えられる。

（実験例３）
内部に保磁力分布を持つ永久磁石５を用いて、実施例１と同様にＩＰＭモータ１を作製した。以下に永久磁石５として用いられるＲ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石の作製方法を詳しく示す。表１に示す組成となる合金Ａと合金Ｂをストリップキャスト法で作製し、水素粉砕を施した。次に、各合金にオレイン酸アミドを０．１５ｗｔ％ずつ添加した。オレイン酸アミドを添加したのち、酸素量が１００ｐｐｍ以下の雰囲気下でジェットミルにて微粉砕して粒径Ｄ５０＝３μｍである微粉Ａと粒径Ｄ５０＝３μｍである微粉Ｂとを得た。

微粉Ａおよび微粉Ｂの希土類量を確認したところ、合金Ａと微粉Ａとで希土類量は概ね一致し、合金Ｂと微粉Ｂとで希土類量は概ね一致していた。

微粉Ａおよび微粉Ｂをそれぞれ図５に示す態様で金型に充填し、磁場中成型した。尚、図５の太い矢印αが成型方向を、細い矢印βが磁場印加方向を示す。得られた成型体は、図６に示すように微粉Ａによって形成された領域（以下、微粉Ａ領域）２０ａと微粉Ｂによって形成された領域（以下、微粉Ｂ領域）２０ｂとを有する成型体となった。この成型体に対して１０５０℃で５時間焼結を行い、５００℃で１時間の時効処理を行い、焼結体を得た。図５に記載の５０ｍｍ×２１ｍｍ×４０ｍｍの焼結体を５０ｍｍ×２１ｍｍ×３ｍｍの永久磁石１０枚となるように、加工機にてスライス加工した。このとき、図６に示すように永久磁石の５０ｍｍ方向の一方の端から他方の端にかけて微粉Ａ領域２０ａ、微粉Ｂ領域２０ｂ、微粉Ａ領域２０ａとなるように加工した。

確認の為、微粉Ａ領域２０ａおよび微粉Ｂ領域２０ｂから、それぞれ３ｍｍ×３ｍｍ×３ｍｍの部分を切り出し、サンプリングした。具体的には、図６に示す保磁力測定部分２０ａ１および２０ｂ１をサンプリングした。パルス励磁型磁気特性測定装置で保磁力を測定したところ、微粉Ａ領域２０ａから切り出したサンプルは保磁力が１７８１ｋＡ／ｍであり、微粉Ｂ領域２０ｂから切り出したサンプルは保磁力が２００１ｋＡ／ｍであった。なお、微粉Ａ領域２０ａから切り出したサンプルの残留磁束密度は１３６０ｍＴであり、微粉Ｂ領域２０ｂから切り出したサンプルの残留磁束密度は１３１６ｍＴであった。

なお、図６では、微粉Ａ領域２０ａと保磁力測定部分２０ａ１とでハッチングを変更しているが、実質的には物としての相違がない。同様に微粉Ｂ領域２０ｂと保磁力測定部分２０ｂ１とでハッチングを変更しているが、実質的には物としての相違がない。

上記の方法にて得られたＲ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石を図２Ｂの永久磁石５として、実験例１と同様にＩＰＭモータ１に組み込み、実施例１と同様な試験を実施した。表２に示す良好な結果が得られた。

（実験例４）
長時間焼結することで永久磁石内部に組成の偏りを発生させ保磁力分布を持たせた永久磁石５を用いて、実施例１と同様にＩＰＭモータ１を作製した。以下に永久磁石５として用いられるＲ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石の作製方法を詳しく示す。表１に示す組成となる合金Ｃをストリップキャスト法で作製し、水素粉砕を施した。次に合金にオレイン酸アミドを０．１５ｗｔ％添加した。オレイン酸アミドを添加したのち、酸素量が１００ｐｐｍ以下の雰囲気下でジェットミルにて微粉砕して粒径Ｄ５０＝３μｍである微粉Ｃを得た。

微粉Ｃの希土類量を確認したところ、合金Ｃと微粉Ｃとで希土類量は概ね一致していた。

微粉Ｃを図７に示す態様で金型に充填し、１５００ｋＡ／ｍの磁場で磁場中成型した。尚、図７の太い矢印αが成型方向を、細い矢印βが磁場印加方向を示す。この成型体を１０５０℃で２４時間焼結して、５００℃で１時間の時効処理を行い、焼結体３０を得た。得られた焼結体３０の組成を分析すると、後述するように希土類量が焼結体中心に向かって高くなる焼結体となった。説明の便宜上、図７に示すように永久磁石（焼結体３０）の５０ｍｍ方向の一方の端から他方の端にかけて、低希土類領域３０ａ、高希土類領域３０ｂ、低希土類領域３０ａと定義した。

確認の為、低希土類領域３０ａおよび高希土類領域３０ｂから、それぞれ３ｍｍ×３ｍｍ×３ｍｍの部分を切り出し、サンプリングした。具体的には、図８に示す保磁力測定部分３０ａ１および３０ｂ１をサンプリングした。パルス励磁型磁気特性測定装置で保磁力を測定したところ、低希土類領域３０ａから切り出したサンプルは保磁力が１９５２ｋＡ／ｍであり、高希土類領域３０ｂから切り出したサンプルは保磁力が２０３２ｋＡ／ｍであった。なお、低希土類領域３０ａから切り出したサンプルの残留磁束密度は１３２６ｍＴであり、高希土類領域３０ｂから切り出したサンプルの残留磁束密度は１３１０ｍＴであった。

保磁力測定部分３０ａ１および３０ｂ１の組成分析を行ったところ、表１に示す通り、いずれの保磁力測定部分も合金Ｃとは希土類量が異なる結果となった。長時間の焼結によって液相となった希土類成分の一部が、表面張力により焼結体中央部に移動したためである。

上記の方法にて得られたＲ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石を図２Ｂの永久磁石５として、実験例１と同様にＩＰＭモータ１に組み込み、実施例１と同様な試験を実施した。表２に示す良好な結果が得られた。

１…ＩＰＭモータ
２…ロータ
２ａ…ロータ鉄心
２ｂ…ロータ表面
３…ステータ
３ａ…ステータ鉄心
４…シャフト
５…永久磁石
５ａ…低保磁力磁石
５ｂ…高保磁力磁石
６…コイル
７…ロータとステータとの間の空隙
８…冷媒経路
８ａ…ロータ内部に形成された冷媒経路
８ｂ…ロータ表面に形成された冷媒経路
１０…焼結体
１５…焼結体
１５ａ…低希土類領域
１５ｂ…高希土類領域
１５ａ１，１５ｂ１…保磁力測定部分
２０…成型体
２０ａ…微粉Ａ領域
２０ｂ…微粉Ｂ領域
２０ａ１，２０ｂ１…保磁力測定部分
３０…焼結体
３０ａ…低希土類領域
３０ｂ…高希土類領域
３０ａ１，３０ｂ１…保磁力測定部分
１００…ＳＰＭモータ

Claims (10)

1. 永久磁石を含むモータであって、
   前記モータの内部で高温となっている高温部分に位置にする高温側永久磁石部分の保磁力が、前記モータの内部で前記高温側永久磁石部分よりも温度が低くなる低温部分に位置する低温側永久磁石部分の保磁力よりも高く設定してあることを特徴とするモータ。
2. 前記高温側永久磁石部分の保磁力と前記低温側永久磁石部分の保磁力との差が８０ｋＡ／ｍ以上である請求項１に記載のモータ。
3. 前記永久磁石が一個体内に保磁力分布を有する請求項１または２に記載のモータ。
4. 前記高温側永久磁石部分および前記低温側永久磁石部分が同一個体の永久磁石に含まれる請求項１〜３のいずれかに記載のモータ。
5. 前記モータの使用時において、前記永久磁石内に５℃以上の温度差がつく請求項１〜４のいずれかに記載のモータ。
6. 前記永久磁石が希土類磁石である請求項１〜５のいずれかに記載のモータ。
7. 前記永久磁石がＲ−Ｔ−Ｂ系磁石である請求項１〜６のいずれかに記載のモータ。
8. 前記モータの内部を冷却する冷却機構８ａを有し、
   前記冷却機構８ａは冷媒を有し、
   前記冷媒と前記永久磁石との距離が１０ｍｍ以内となる箇所が存在する請求項１〜７のいずれかに記載のモータ。
9. 前記冷媒が油である請求項８に記載のモータ。
10. 前記モータは、ＩＰＭモータである請求項１〜９のいずれかに記載のモータ。

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