JP2019103146A - モータ - Google Patents

Abstract

【課題】永久磁石２３と感温磁性材料２４を配置したロータ２０を備えたモータ１であって、ロータ２０内への永久磁石２３および感温磁性材料２４の配置が容易であり、かつ高速回転時に、永久磁石２３から出る磁束を確実に低減することを可能としたモータ１を提供する。【解決手段】コイル１３を備えるステータ１０と、直方体形状の永久磁石２３を備えるロータ２０とからなるモータ１であって、前記モータ１は、前記ロータ１０の空間２２内の前記ロータ１０の表面側に直方体形状の感温磁性材料２４を備え、前記ロータ１０の軸Ｏ側に前記永久磁石２３を配置していることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、永久磁石を使用するモータに関する。

ネオジウム系磁石を永久磁石として有するモータ用ロータおよびモータが特許文献１に記載されている。ネオジウム系磁石は高磁束密度、高保磁力な材料であるが、高温で保磁力が低下するために、重希土類金属であるＤｙやＴｂを添加して高温での保磁力を確保している。しかし、ＤｙやＴｂは希少元素であるため高価格であり、資源リスクも高い。

ＤｙやＴｂを添加しない材料からなる永久磁石を使用するモータにおいては、モータの回転速度が速い場合には、ロータから発生している磁束により、ステータ側のコイルではその磁束変化により逆起電力が発生する。このような逆起電力が発生するとエンジン主体で高速走行する場合、エンジンの負荷となり、高速燃費が悪くなる。そのためステータから、磁石の磁束を低減させるために、磁石回転と同期させて、逆の磁界を掛けて磁石の磁束を少なくする。これを「弱め界磁」という。このような弱め界磁は電力損失(銅損)の増加、モータ発熱等の原因となる恐れがある。それを回避することのできるモータが特許文献２に記載されている。

特許文献２では、ロータに感温磁性材料を備えるようにしている。モータの回転速度が速い場合に、ロータの温度が上昇するため、感温磁性材料の温度が上昇して透磁率が減少する。感温磁性材料の透磁率が減少することで、ステータのコイルにて交番する永久磁石の磁束が少なくなる。そのため、逆起電力が小さくなり、大電力の弱め界磁電力を印加しなくても、ステータのコイルにおける誘起電力が小さくなるため、ステータにおける発熱が抑制され、モータの運転効率を高めることができる。

特開２０１７−１５３３５６号公報 特開２０１７−２８８０６号公報

特許文献２に記載のモータでは、高価格であるＤｙやＴｂ使用することなく、モータの高速回転時での運転効率を高めるができる。使用する感温磁性材料としては、液体であるフェリコロイドや、固定である鉄系の合金が記載されている。ロータ内に液体である感温磁性材料を配置することは、構成的に容易でない。また、鉄系の合金は、一般にキュリー温度が高く、実際の使用において、必ずしも有効はでない。

また、感温磁性材料の配置位置が、磁石Ｖ字配置に対してロータ表面側であり、高温になったときにリラクタンストルクが激減して、モータトルクが低下する、という問題がある。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、ロータに永久磁石とともに感温磁性材料を配置したロータを備えたモータにおいて、ロータ内への永久磁石および感温磁性材料の配置が容易であり、かつ高速回転時に、永久磁石から出る磁束を確実に低減することを可能としたモータを提供することを課題とする。

本発明によるモータは、コイルを備えるステータと、直方体形状の永久磁石を備えるロータとからなるモータであって、前記モータは、前記ロータの空間内の前記ロータの表面側に直方体形状の感温磁性材料を備え、前記ロータの軸側に前記永久磁石を配置していることを特徴とする。

本発明によるモータでは、高速回転時に、ステータのコイルにて発生する逆起電力を小さくするために、ロータ内に配置する感温磁性材料として、直方体形状の感温磁性材料を用いるため、ロータへの感温磁性材料の組み付けはきわめて容易である。また、ロータに備え直方体形状の永久磁石に接するようにして、直方体形状の感温磁性材料を配置する構成であり、その点からも、ロータの組み付けはきわめて容易である。

モータの一部を示す横断面図。 図１のＡ−Ａ線、Ｂ−Ｂ線、Ｃ−Ｃ線に沿う断面図。 感温磁性材料の温度特性を示すグラフ。 磁石保磁力と磁石にかかる最大逆磁界の関係を示すグラフ。 感温磁性材料の使用による最大逆磁界低減効果を示すグラフ。 感温磁性材料の使用による磁石磁束低減効果を示すグラフ。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図１は、本実施の形態によるモータの一部を示す横断面図である。

モータ１は、中空円柱状のステータ１０と、ステータ１０の中空部に回転可能に設けられるロータ２０とにより構成される。ステータ１０には、その中心軸Ｏの方向に貫通する適数個のスロット１１が、ステータ１０の周方向に等間隔に形成されている。隣接するスロット１１の間にティース１２が形成され、ティース１２を巻回するように、コイル１３が設けられる。

ロータ２０は、図２の中心軸方向の断面図に示すように、電磁鋼板２１の積層体であり、該積層体を中心軸方向に貫通して、中心軸方向に延在する直方体形状の空間２２を有している。該空間２２には、共に直方体形状でありかつ平板状である永久磁石２３と感温磁性材料２４とが径方向に積層された状態で挿入されている。

ステータ１０のコイル１３に所定の駆動周波数の交流電力が供給されると、所定のタイミングで回転磁界を発生する。ステータ１０のコイル１３により発生する回転磁界が、ロータ２０の永久磁石２３に作用することにより、コイル１３と永久磁石２３とが誘引または反発することで回転駆動力が発生し、ロータ２０がステータ固定子１０内で回転する。

本実施の形態において、空間２２は、３つの空間２２ａ、２２ｂ、２２ｃの空間組として形成されており、その空間組の適数個がロータ２０の周方向に等間隔に形成されている。それぞれの空間２２ａ、２２ｂ、２２ｃ内に、前記した直方体形状でありかつ平板状である永久磁石２３と感温磁性材料２４とが径方向に積層された状態で挿入されている。

図示の例では、空間２２ａはロータ２０の外周縁近くにおいて、ロータ２０の中心軸Ｏからの径方向に延びる直線に直交する方向に形成されている。空間２２ｂと空間２２ｃは、空間２２ａよりも中心軸Ｏに近い位置において、空間２２ａを両側から挟み込むようにして、ステータ１０側が開いた逆ハ字状（Ｖ字状）に形成されている。

図１に示すように、各空間２２ａ、２２ｂ、２２ｃにおいて、永久磁石２３と感温磁性材料２４との積層体は、感温磁性材料２４がステータ１０の側（ロータ２０の表面側）に面するようにして、空間内に挿入されている。すなわち、感温磁性材料２４は、モータ１の運転時において、ステータ１０と永久磁石２３間での磁束の流れる方向に比較的直交するように永久磁石２３の面に接して、かつステータ１０側に面して配置されていることとなる。

本実施の形態において、感温磁性材料２４はＭｎ−Ｚｎ系のフェライト磁性材であり、一例として、Ｍｎ・Ｚｎが入ったＦｅ_２Ｏ_３系酸化物磁性体を挙げることができる。また、図示しないが、３つの空間２２ａ、２２ｂ、２２ｃは、必須でなく、いずれか１つであってもよく、選択された２つであってもよい。

感温磁性材料２４の特性を、図３を参照して説明する。図３は、感温磁性材料の飽和磁束密度と温度特性の関係を示すグラフであり、横軸に温度（℃）、縦軸に飽和磁束密度（Ｇ）を示している。グラフが示すように、感温磁性材料は低温では磁束が通り易く、高温では磁束が通り難くなる特性を持つ。例えば、Ｔｃ＝１５０℃の材料では、１５０℃以下ではフェリ磁性のため、磁気磁束を通すが、高温では常磁性になり空気層と同じ状態となる。それにより磁束を通し難くなる。ここで、Ｔｃは、感温磁性材料のキュリー温度である。

そのために、図１に示したモータ１では、Ｔｃ以上の温度では、ステータ１０側からの磁界は、感温磁性材料２４の部分で通り難くなり、結果、永久磁石２３への逆磁界が小さくなって、永久磁石２３の減磁がし難くなる。感温磁性材料２４を備えない場合には、高温高速回転の場合、永久磁石からの磁界が大きいため、磁石磁界を弱めるための磁界をステータ１０側から同期をとって加えるという、弱め界磁が必要となる。

本実施の形態でのモータ１では、低温での高速回転においては、従来と同様に、弱め界磁制御は必要であるが、高温になると前記したように感温磁性材料２４が非磁性（常磁性）になるので、永久磁石２３から磁束が出難くなり、必要な弱め界磁磁界を小さくすることができる。

次に、本実施の形態のモータ１における、感温磁性材料２４の使用による最大逆磁界低減効果について説明する。図４および図５は、磁石保持力Ｈｃｊと磁石に掛かる最大逆磁界Ｈｍａｘの関係を示すグラフであり、図４は、感温磁性材料２４を使用しない場合のグラフ、図５は、本実施の形態のモータ１の場合のグラフである。両グラフにおいて、
Ｈｍａｘ（ｋＡ／ｍ）：温度Ｔで永久磁石に掛かる最大逆磁界、
Ｈｃｊ（ｋＡ／ｍ）：温度Ｔでの永久磁石の保磁力、
Ｔｃ：感温磁性材料のキュリー温度、
Ｔ１：高Ｂｒ・低Ｈｃｊ材の使用限界温度、
Ｔ２：低Ｂｒ・高Ｈｃｊ材の使用限界温度、
である。なお、Ｂｒは永久磁石での残留磁気密度の単位であり、Ｈｃｊは永久磁石そのものの磁化がゼロになる印加磁場の強さを示し、永久磁石の逆磁場に対する真の抵抗力を表す。

図４に示すように、従来技術、すなわち、感温磁性材料２４を用いない場合には、最大逆磁界Ｈｍａｘ（ｋＡ／ｍ）は温度に依らず一定なので、高保磁力材を用いて永久磁石２３の耐熱性を確保することが必要となるが、本実施の形態のモータ１では、図５に示すように、感温磁性材料２４を永久磁石２３のステータ１０側に配置することで、高温での最大逆磁界を低減することが可能となり、使用温度を高める、もしくは、永久磁石２３として低保磁力材のものも使用可能になる利点がある。

次に、本実施の形態のモータ１における、感温磁性材料２４の使用による磁石磁束低減効果について、図６を参照して説明する。図６において、横軸は温度（℃）、縦軸は磁石による無負荷磁束（Ｂ）を示す。図６に示すように、本実施の形態のモータ１では、ロータ２０に感温磁性材料２４を配置することで、Ｔｃ（キュリー温度）近傍で磁石磁束を小さくできるので弱め界磁電流を小さくできる。

また、従来の、すなわち感温磁性材料を用いない場合での、Ｔｃにおける、磁石磁束をＢｊ、弱め界磁電流をＩｊ、弱め界磁による銅損をＷｊ、とし、本実施の形態のモータ１における、磁石磁束をＢｈ、弱め界磁電流をＩｈ、弱め界磁による銅損をＷｈ、とすると、Ｗｈ／Ｗｊ ∝ （Ｉｈ／Ｉｊ）＾２ ∝ （Ｂｈ／Ｂｊ）＾２、となり、弱め界磁による銅損を低減できることとなる。

特許文献２に記載されるもののように、液体の感温磁性材料を用いるものでは積層する電磁鋼板内に液体感温磁性材料を封入し、回転体内で、かつ温度変化に伴う繰返しの熱膨張収縮の中で、漏れが無いように長期間にわたり封入しておく構造が必要であり、ロータの製造および保証が容易ではない。

本実施の形態のモータ１では、感温磁性材料２４として、直方体形状でありかつ平板状である感温磁性材料２４を用いており、さらに、ロータに形成した軸方向の空間に直方体形状である永久磁石と感温磁性材料との径方向の積層体を挿入する構造であり、このことからも、ロータの製造が容易であり、かつ、長期信頼性の高いロータ構造である。

さらに、感温磁性材料２４は、Ｍｎ−Ｚｎ系のフェライト磁性材であり、鉄系の合金である感温磁性材料を用いる場合、鉄系の合金ではキュリー温度が高く、組成を変えて大きくキュリー温度を変える素材を得ることが難しいが、フェライト系感温磁性材料では比較的モータ制御に適する温度のキュリー温度を有するため、磁性を損なわずに組成を変えてキュリー温度の異なる素材を準備することは比較的容易である。そのために、制御温度に合せた素材選定が容易になるという利点がある。

さらに、感温磁性材料がフェライト磁性材料である場合、フェライト磁性材料はＦｅ_２Ｏ_３の鉄酸化物材料のため絶縁体であり、磁石と電磁鋼板の直接接触が妨げられ、磁石と電磁鋼板との接触界面での渦電流の発生が無くなり、渦電流損が無くなるという効果ももたらされる。

１…モータ、
１０…ステータ、
１１…スロット、
１２…ティース、
１３…コイル、
２０…ロータ、
２２（２２ａ、２２ｂ、２２ｃ）…直方体形状の空間、
２３…永久磁石、
２４…感温磁性材料。

Claims (1)

1. コイルを備えるステータと、直方体形状の永久磁石を備えるロータとからなるモータであって、
   前記モータは、前記ロータの空間内の前記ロータの表面側に直方体形状の感温磁性材料を備え、前記ロータの軸側に前記永久磁石を配置していることを特徴とするモータ。

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