JP6962226B2

JP6962226B2 - モータ

Info

Publication number: JP6962226B2
Application number: JP2018023130A
Authority: JP
Inventors: 敬右金田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-02-13
Filing date: 2018-02-13
Publication date: 2021-11-05
Anticipated expiration: 2038-02-13
Also published as: JP2019140820A

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も存在する。通常、モータは、モータの回転速度が速い場合に、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とが行われる。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ことが期待できる。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。感温磁性材料の使用態様としては、１種の感温磁性材料を永久磁石の周囲に１つの層として配置する態様が、図示されている。この態様でも、感温磁性材料を用いることで、モータの有効使用温度を、使用しないものよりも高くすることができる。

一方、コイルを備えるステータと永久磁石を備えるロータとからなるモータにおいて、ロータに備えた永久磁石の表面部の保持力は、当該永久磁石の幅方向（すなわち、ロータの回転軸に直交する方向）の両側で高くなり、中心部では相対的に低くなる。この永久磁石の幅方向での保持力の違いに対する対処については、言及がなされていない。

本発明は、前記した永久磁石の幅方向での保持力の違いをも考慮して、感温磁性材料を適切に配置することで、高温域でのモータの運転効率をより改善できるように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、回転中心軸方向に延在する永久磁石を備えるロータとからなるモータであって、前記ロータは、前記永久磁石の前記コイルに面する側にキュリー温度が異なる複数個の感温磁性材料が前記回転軸に直交する幅方向に多列に配置されており、そこにおいて、前記幅方向の中心側には相対的にキュリー温度が高い感温磁性材料が配置されていることを特徴とする。

本発明によるモータでは、永久磁石の表面に、最大逆磁界と磁石保持力の差の大きさに対応して、その幅方向にキュリー温度の異なる複数の感温磁性材料を配置することで、磁石に掛かる逆磁界を制御している。それにより、特に、高温で適正トルクを維持しつつ、磁石減磁することがなく、運転信頼性の高いモータを得ることができる。

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。永久磁石と感温磁性材料との積層体をロータの中心軸に直交する方向からみて示す図。感温磁性材料の温度特性を示すグラフ。従来技術での磁石表面部の最大逆磁界と磁石保磁力の関係を示す２つのグラフ。本発明によるモータでの磁石表面部の最大逆磁界と磁石保磁力の関係を示す３つのグラフ。磁石保磁力とモータ最大トルクの関係を示すグラフ。

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。

図２は、図１のＡ−Ａ線、Ｂ−Ｂ線、Ｃ−Ｃ線に沿う断面図、すなわち、中心軸Ｏに沿う方向の断面図である。図２の断面図に示すように、ロータ２０は電磁鋼板２１の積層体であり、該積層体を中心軸Ｏ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と感温磁性部材２４との積層体２５が、径方向に積層された状態、かつ、永久磁石２３のコイル１３に面する側に感温磁性部材２４が位置するようにして、挿入されている。

図３は、永久磁石２３と感温磁性部材２４との積層体２５をモータ１およびロータ２０の中心軸Ｏに直交する方向からみて示している。図示のように、感温磁性部材２４は、１種類の感温磁性材料ではなく、キュリー温度Ｔｃがそれぞれ異なる複数種の感温磁性材料の組み合わせ体で構成される。限定されないが、本実施の形態では、感温磁性部材２４は、３種類の感温磁性材料２４ａ、２４ｂ、２４ｃの組み合わせ体であり、第１の感温磁性材料２４ａのキュリー温度をＴｃａ、第２の感温磁性材料２４ｂのキュリー温度をＴｃｂ、第３の感温磁性材料２４ｃのキュリー温度をＴｃｃ、としたときに、Ｔｃａ＞Ｔｃｂ＞Ｔｃｃとなる感温磁性材料が選択的に用いられている。また、各感温磁性材料２４ａ、２４ｂ、２４ｃの厚みは等しく、中心軸Ｏ方向の長さは、ロータ２０の中心軸方向の長さにほぼ等しい。

各感温磁性材料２４ａ、２４ｂ、２４ｃの配置は次のようにされている。すなちわ、永久磁石２３の幅方向、すなわち中心軸Ｏの方向に延在する永久磁石２３におけるロータ１０の中心軸Ｏに直交する方向である幅方向の中心側に、キュリー温度Ｔｃが最も高い第１の感温磁性材料２４ａが位置し、比較してキュリー温度Ｔｃが低い第２および第３の感温磁性材料２４ｂ、２４ｃは、その両側に配置されている。

本実施の形態の感温磁性部材２４では、キュリー温度Ｔｃａの感温磁性材料２４ａの両側に、キュリー温度Ｔｃｃの２本の第３の感温磁性材料２４ｃが位置し、さらにその外側にキュリー温度Ｔｃｂの２本の２の感温磁性材料２４ｂが位置するように、各感温磁性材料２４ａ、２４ｂ、２４ｃが配置されている。しかし、第２および第３の感温磁性材料２４ｂ、２４ｃの配置関係および本数は、これに限定されない。

モータ１において、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１０内で回転する。

本実施の形態において、前記空間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。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。そして、それぞれの空間２２ａ、２２ｂ、２２ｃ内に、前記した永久磁石２３と感温磁性部材２４との積層体２５が、感温磁性部材２４がロータ２０の外周側、すなわちステータ１０に面するようにして挿入されている。

好ましくは、感温磁性部材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る。なお、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。

本実施の形態において、感温磁性部材２４を構成する、感温磁性材料２４ａ、２４ｂ、２４ｃの素材は、限定されないが、好ましくは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。キュリー温度Ｔｃの異なるそれらの材料も、市場から入手できる。

前記した感温磁性材料の特性を、図４を参照して説明する。図４は、感温磁性材料の飽和磁束密度（Ｇ）と温度（℃）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気抵抗が低く磁束が通り易く、高温では磁気抵抗が高く磁束が通り難くなる特性を持つ。例えば、Ｔｃ＝１５０℃の感温磁性材料ａでは、１５０℃以下ではフェリ磁性のため、磁気磁束を通すが、それ以上の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。図４に示すような、キュリー温度Ｔｃが異なる多種類の感温磁性材料（ここでは感温磁性材料ａ〜感温磁性材料ｅの７種）は容易に入手可能である。

本実施の形態によるモータ１では、前記のように、永久磁石２２の表面側（ロータ１０のコイル１３に面した側）に感温磁性部材２４が位置するので、高温になったとき、永久磁石２２に逆磁界が掛からなくなり、減磁し難くなる。また、永久磁石２２からの磁界はステータには流れ難くなるので、自己弱め磁界（自己可変磁界）作用が働くようになる。以下に、詳述する。

図５は、従来のモータ、すなわち感温磁性材料を用いていないモータでの、磁石表面部の最大逆磁界と磁石保磁力の関係を示すグラフである。左のグラフは低温時での状態を、右のグラフは高温時での状態を示している。各グラフにおいて、縦軸は、磁石表面部の最大逆磁界と磁石保磁力を示し、横軸は磁石の幅方向（０→Ｗ）を示している。図示のように、コイルを備えるステータと永久磁石を備えるロータとからなるモータにおいて、ロータに備えた永久磁石の表面部の保持力は、当該永久磁石の幅方向（回転軸に直交する方向）の両側（０位置およびＷ位置）で高くなり、中心部では相対的に低くなる。また、作用する最大逆磁界も永久磁石の幅方向の両側（０位置およびＷ位置）で高く、幅方向中央に向けて小さくなる。

図５の左の図に示すよう、低温時では磁石の幅方向に所要の保磁力が確保されるが、モータの温度が高くなると、磁石表面部の保磁力は、例えば約０．５％／℃程度の割合で減少していく。磁石に掛かる最大逆磁界が永久磁石の保磁力より大きくなると磁石が減磁することから、図５の右の図に示すように、例えば温度Ｔｊ近傍では、部分的な保磁力に依存するようになる。この温度Ｔｊが限界使用温度となる。

図６は、本実施の形態でのモータ１における、磁石表面部の最大逆磁界と磁石保磁力の関係を示すグラフである。図６に示す例では、図３に基づき説明したように、キュリー温度Ｔｃが異なる３種類の感温磁性材料２４ａ、２４ｂ、２４ｃにより感温磁性部材２４を構成している。具体的には、永久磁石２２の幅方向中央部に、幅ａにわたってキュリー温度Ｔｃａである第１の感温磁性材料２４ａを配置し、第１の感温磁性材料２４ａの両側に、幅ｃにわたってキュリー温度Ｔｃｃの２本の第３の感温磁性材料２４ｃ、２４ｃを配置し、さらに第３の感温磁性材料２４ｃの外側に、幅ｂにわたってキュリー温度Ｔｃｂの２本の第２の感温磁性材料２４ｂ、２４ｂを配置している。ここにおいて、幅ａ＋幅ｂ＋幅ｃは、永久磁石２３の横幅Ｗと等しい。また、各キュリー温度Ｔｃは、前記したように、Ｔｃａ＞Ｔｃｂ＞Ｔｃｃである。

この形態のモータ１の運転において、モータ温度がＴｃｃ近傍に達すると、図６の左の図に示すように、磁石表面部の保磁力が各部で低下する一方において、キュリー温度Ｔｃｃである２本の第３の感温磁性材料２４ｃ、２４ｃが非磁性化して、最大逆磁界が矢印ａｃのように低下する。それにより、磁石減磁を抑制でき、温度Ｔｃｃ近傍での運転信頼性は向上する。

さらにモータ温度が高くなりＴｃｂ近傍に達すると、図６の中央の図に示すように、磁石表面部の保磁力が各部でさらに低下するものの、キュリー温度Ｔｃｂである２本の第２の感温磁性材料２４ｂ、２４ｂが非磁性化して、最大逆磁界は矢印ａｂのように低下する。それにより、ここでも磁石減磁を抑制でき、温度Ｔｃｂ近傍での運転信頼性は向上する。

さらにモータ温度が高くなりＴｃａ近傍に達すると、図６の右の図に示すように、磁石表面部の保磁力が各部でさらに低下するものの、キュリー温度Ｔｃａである第１の感温磁性材料２４ａが非磁性化して、最大逆磁界は矢印ａａのように低下する。それにより、ここでも磁石減磁を抑制でき、温度Ｔｃａ近傍での運転信頼性は向上する。

上記のように、キュリー温度Ｔｃが異なる複数種の感温磁性材料２４を永久磁石２３のコイル１３に面する側に、永久磁石２３の幅方向に配置することで、モータ１の使用温度を前記ＴｊからＴｃａ近傍温度に上昇させることが可能となり、高温域でのモータの運転信頼性は大きく向上する。

また、キュリー温度Ｔｃの異なる複数種の感温磁性材料を用いることで、図７に示したように、高温で高いトルクを維持しつつモータを運転することも可能となる。すなわち、前記したように、キュリー温度Ｔｃの異なる複数種類の感温磁性材料を用いることで、高温域での最大逆磁界を段階的に低減することが可能となり、結果、図７に示すように、高温域でのモータ最大トルクも段階的に低下させることが可能となる。それにより、高温域でのトルクを平均して高い値に維持できるようになる。なお、図７において、Ｔｃｃは、第３の感温磁性材料２４ｃのキュリー温度Ｔｃであり、Ｔｃｂは、第２の感温磁性材料２４ｂのキュリー温度Ｔｃであり、Ｔｃａは、第１の感温磁性材料２４ａのキュリー温度Ｔｃである。

本発明によるモータにおいて、永久磁石２２のコイル１３に面する側に、その幅方向に配置するキュリー温度が異なる感温磁性材料２４の個数には、特に制限はない。２種類以上であれば、任意である。配置の態様も、永久磁石２３の幅方向中心側に相対的にキュリー温度が高い感温磁性材料が配置されればよく、相対的にキュリー温度が低い感温磁性材料の配置順は任意である。例えば、図６に示した例において、キュリー温度Ｔｃが最も高い第１の感温磁性材料２４ａを中央側に配置することは必須であるが、第１の感温磁性材料２４ａの両側に、幅ｂにわたってキュリー温度Ｔｃｂの２本の第２の感温磁性材料２４ｂを配置し、その外側に、幅ｃにわたって２本の第３の感温磁性材料２４ｃを配置するようにしてもよい。また、それぞれの感温磁性材料２４の横幅も、すべてによって永久磁石の表面が覆われることを条件に、任意である。

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２４ａ、２４ｂ、２４ｃを用いており、さらに、ロータ２０に形成した軸方向の空間２２に、直方体形状である永久磁石２３と感温磁性部材２４との径方向の積層体２５を挿入する構造であり、液体である感温磁性部材を用いるものと比較して、ロータ２０の製造は容易となり、かつ、長期信頼性の高いロータ構造が得られる。

さらに、感温磁性材料は、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…感温磁性部材、
２４ａ、２４ｂ、２４ｃ…感温磁性材料、
２５…永久磁石と感温磁性部材との積層体。

Claims

コイルを備えるステータと、回転中心軸方向に延在する永久磁石を備えるロータとからなるモータであって、
前記ロータは、前記永久磁石の前記コイルに面する側にキュリー温度が異なる複数個の感温磁性材料が前記回転軸に直交する幅方向に多列に配置されており、そこにおいて、前記幅方向の中心側には相対的にキュリー温度が高い感温磁性材料が配置されていることを特徴とするモータ。