JP7020354B2

JP7020354B2 - 永久磁石式モータ

Info

Publication number: JP7020354B2
Application number: JP2018178095A
Authority: JP
Inventors: 一昭芳賀; 彬山下
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-09-21
Filing date: 2018-09-21
Publication date: 2022-02-16
Anticipated expiration: 2038-09-21
Also published as: JP2020054022A

Description

本開示は、永久磁石式モータに関する。本開示は、特に、回転子の内部に永久磁石が埋め込まれている、あるいは、回転子の外周表面に永久磁石が装着されているモータに関する。

モータ性能の重要な指標の一つとしてトルクがある。トルクの高いモータを得るための方策の一つとして、磁束密度の高い永久磁石を用いることが挙げられる。しかし、回転子に永久磁石を備える永久磁石式モータの場合、永久磁石は、固定子の側から流入してくる外部磁界の影響を受ける。そのため、永久磁石式モータのトルクを向上させるには、磁束密度の高い永久磁石を使用するだけでは充分ではない。永久磁石式モータのトルクを向上させるには、固定子の側から流入してくる外部磁界を減磁するため、永久磁石が高い保磁力を有することが必要である。

しかし、永久磁石において、磁束密度と保磁力は相反する傾向がある。例えば、ネオジム－鉄－ボロン系磁石は、高い磁束密度を有しているが、保磁力はそれほど高くない。ネオジム－鉄－ボロン系磁石が、ネオジムの他に、ジスプロシウム（Ｄｙ）及び／又はテルビウム（Ｔｂ）等の重希土類元素を含有すると、保磁力が向上する。

ジスプロシウム及び／又はテルビウム等の重希土類元素は、希土類元素の中でも特に希少であるため、その使用量を減少させつつ、永久磁石式モータのトルクを向上させる試みがなされている。

例えば、特許文献１には、回転子に埋め込まれているネオジム－鉄－ボロン系磁石の固定子に対向する面の近傍に、重希土類元素を偏析させた永久磁石式モータが開示されている。そして、特許文献１には、重希土類元素の偏析により、ネオジム－鉄－ボロン系磁石の固定子に対向する面近傍の保磁力を部分的に向上させて、永久磁石式モータのトルクを向上可能であることが開示されている。

特開２０１１－２２９３２９号公報

特許文献１に開示された永久磁石式モータにおいては、重希土類元素を偏析させる部位に制限がある。そのため、特許文献１に開示された永久磁石式モータにおいては、永久磁石の保磁力を向上させる部位に制限がある。その結果、特許文献１に開示された永久磁石式モータにおいては、トルクを一層増加させることが困難であった。これらのことから、従来の永久磁石式モータよりも、トルクを一層増加させた永久磁石式モータが望まれている、という課題を、本発明者らは見出した。

本開示は、上記課題を解決するためになされたものである。すなわち、本開示は、従来の永久磁石式モータよりも、トルクを一層増加させた永久磁石式モータを提供することを目的とする。

本発明者らは、上記目的を達成すべく、鋭意検討を重ね、本開示の永久磁石式モータを完成させた。本開示の永久磁石式モータは、次の態様を含む。
〈１〉内部に永久磁石が埋め込まれている、又は外周表面に永久磁石が装着されている回転子と、
前記回転子に対して所定の空隙を介して配置されている固定子と、
を備え、
前記永久磁石の長手方向中心面と前記永久磁石の短手方向中心面の交線を通り、前記短手方向中心面とのなす角θが６８．２～８０．０°である分割面で、前記永久磁石が分割されており、
分割された前記永久磁石の一方がサマリウム－鉄－窒素系磁石を含み、他方が重希土類元素を含有するネオジム－鉄－ボロン系磁石を含む、
永久磁石式モータ。

本開示によれば、固定子が備える永久磁石を、所定の法則にしたがって分割し、一方をネオジム－鉄－ボロン系磁石、他方をサマリウム－鉄－窒素系磁石にすることによって、従来よりもトルクの増加したモータを提供することができる。

図１は、本開示の永久磁石式モータの一態様を示す断面図である。図２は、永久磁石の分割面を説明する断面図である。図３は、永久磁石の短手方向中心面と分割面とのなす角度θが０～９０°であるとき、外側磁石と内側磁石の配置を示す断面図である。図４は、外側磁石がサマリウム－鉄－窒素系磁石、内側磁石がネオジム－鉄－ボロン系磁石であるときのトルク解析結果を示すグラフである。図５は、図１の左側の永久磁石について、固定子に対向する面での磁束密度を示すグラフである。図６は、図１の右側の永久磁石について、固定子に対向する面での磁束密度を示すグラフである。図７は、角度θが６８．２～８０．０°の場合について、外側磁石と内側磁石の組合せを入れ替えたときのトルクの差異を示すグラフである。図８は、ＩＰＭモータの構造の一部概略を示す断面図である。

以下、本開示の永久磁石式モータの実施形態を詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態は、本開示の永久磁石式モータを限定するものではない。

永久磁石式モータには、ＩＰＭモータ及びＳＰＭモータがある。ＩＰＭ（ＩｎｔｅｒｉｏｒＰｅｒｍａｎｅｎｔＭａｇｎｅｔ:内部磁石埋込型）モータは、永久磁石が回転子の内部に埋め込まれている。ＳＰＭ（ＳｕｒｆａｃｅＰｅｒｍａｎｅｎｔＭａｇｎｅｔ：表面磁石装着型）モータは、永久磁石が回転子の外周表面に装着されている。

本開示の永久磁石式モータは、ＩＰＭモータ及びＳＰＭモータのいずれの態様にも適用可能である。ここでは、先ず、ＩＰＭモータの概略について説明する。

図８は、ＩＰＭモータの構造の一部概略を示す断面図である。図８は、ＩＰＭモータの回転軸に垂直な平面での断面図である。

ＩＰＭモータは、回転子１０と固定子２０を備える。固定子２０は、回転子１０に対して所定の空隙を介して配置されている。固定子２０はティース部２５を有する。ティース部２５にはコイル（図示しない）が巻回されている。

回転子１０には、その内部に永久磁石３０が埋め込まれている。永久磁石３０は、固定子２０に対向する面３２から流入してくる外部磁界の影響を受ける。そのため、従来のＩＰＭモータでは、永久磁石の３０の固定子２０に対向する面３２の近傍について、保磁力を部分的に向上させる方策がとられていた。例えば、永久磁石３０がネオジム－鉄－ボロン系磁石の場合には、永久磁石３０の固定子２０に対向する面３２から重希土類元素を拡散浸透させて、保磁力向上領域３４を形成し、固定子２０に対向する面３２から流入してくる外部磁界に減磁していた。このような方策により、従来の永久磁石式モータでも、トルクの向上に一定の成果を上げていた。

しかし、従来のこの方策では、保磁力向上領域３４が、永久磁石３０の固定子２０に対向する面３２と概ね平行になる。その一方で、永久磁石式モータのトルクを向上させるために、永久磁石３０の保磁力を向上させるべき部位は、永久磁石３０の固定子２０に対向する面３２の表面と平行ではない。すなわち、従来の方策では、実際に保磁力が向上している領域と、トルク向上のために保磁力を向上させるべき領域とに齟齬が生じている領域があった。したがって、従来の方策では、トルク向上に必要のない領域について保磁力を向上させていたり、トルク向上に必要な領域について保磁力の向上がなされていなかったりした、ということを本発明者らは知見した。

また、ネオジム－鉄－ボロン系磁石とサマリウム－鉄－ボロン系磁石それぞれを、所定の法則にしたがって、互いに接触した状態で固定子２０に埋め込むと、従来の永久磁石式モータに比べて、トルクを一層向上することができることを、本発明者らは知見した。

これまで述べてきた知見等によって完成された、本開示の永久磁石式モータの構成要件を、次に説明する。

《本開示の永久磁石式モータ》
図１は、本開示の永久磁石式モータの一態様を示す断面図である。なお、図１は、本開示の永久磁石式モータの一部分について、その回転軸に垂直な断面を示すものである。

図１に示した本開示の永久磁石式モータの態様は、ＩＰＭモータである。本開示の永久磁石式モータ１００は、回転子１０と固定子２０を有する。以下、それぞれについて、既に説明したＩＰＭモータの概略とは異なる部分を中心に説明する。

〈回転子〉
回転子１０は、永久磁石３０が埋め込まれている。永久磁石３０は、分割面５０で、外側磁石３０ａと内側磁石３０ｂに分割されている。

図２は、永久磁石３０の分割面５０を説明する断面図である。図２において、紙面の表裏は本開示の永久磁石式モータ１００の回転軸方向である。図２において、線は紙面表裏方向の面を示し、点は紙面表裏方向の線を示す。分割面５０は、永久磁石３０の長手方向中心面５２と永久磁石３０の短手方向中心面５４の交線５６を通り、分割面５０は、短手方向中心面５４と角度θ（ただし、θは０～９０°）をなす。

図３は、永久磁石３０の短手方向中心面５４と分割面５０とのなす角度θが０～９０°であるとき、外側磁石３０ａと内側磁石３０ｂの配置を示す断面図である。図３に示した角度は、図２に示した角度θである。外側磁石３０ａの位置については、分かりやすいように、便宜的にハッチングしてある。

図３から分かるように、角度θが９０°のとき、永久磁石３０は、分割面５０で長手方向に、外側磁石３０ａと内側磁石３０ｂに二分割される。一方、角度θが０°のとき、永久磁石３０は、分割面５０で短手方向に、外側磁石３０ａと内側磁石３０ｂに二分割される。

外側磁石３０ａと内側磁石３０ｂの一方がサマリウム－鉄－窒素系磁石を含み、他方が重希土類を含有するネオジム－鉄－ボロン系磁石を含む。サマリウム－鉄－窒素系磁石は、高い保磁力を有するが、磁束密度はそれ程高くない。一方、ネオジム－鉄－ボロン系磁石は、高い磁束密度を有するが、保磁力はそれ程高くない。そのため、ネオジム－鉄－ボロン系磁石をモータに用いる場合には、上述したように、重希土類磁石を用いて、保磁力を向上させるのが一般的である。しかし、重希土類元素を含有するネオジム－鉄－ボロン系磁石の保磁力であっても、サマリウム－鉄－窒素磁石の保磁力より小さい傾向がある。

永久磁石３０として、重希土類元素を含有するネオジム－鉄－ボロン系磁石をモータに用いると、保磁力がそれほど大きくないため、減磁が大きく、大きなトルクを得難い。一方、永久磁石３０として、サマリウム－鉄－窒素系磁石をモータに用いると、保磁力が大きいため、減磁が小さく、大きなトルクを得やすい。

図３において、角度θを９０°にすると、外側磁石３０ａと内側磁石３０ｂが長手方向に二等分される。そして、外側磁石３０ａが重希土類元素を含有するネオジム－鉄－ボロン系磁石を含み、内側磁石３０ｂがサマリウム－鉄－窒素系磁石を含むと、固定子２０からの外部磁界の影響を大きく受ける領域（外側磁石３０ａの領域）の保磁力が小さい。そのため、減磁が大きく、大きなトルクを得難い。

図３において、角度θが６８．２～８０．０°であると、重希土類元素を含有するネオジム－鉄－ボロン系磁石の高磁束密度とサマリウム－鉄－窒素系磁石の高保磁力がともに生かされる。そのため、永久磁石３０として、サマリウム－鉄－窒素系磁石を単独で用いたときよりも、大きいトルクが得られる。そして、特筆すべきは、重希土類磁石を含有するネオジム－鉄－ボロン系磁石とサマリウム－鉄－窒素系磁石の組合せにおいて、外側磁石３０ａと内側磁石３０ｂとを入れ替えても、それぞれ、ほぼ同程度のトルクが発生することである。これは、角度θが６８．２～８０°であることを満たして永久磁石３０が分割されていれば、永久磁石３０の回転子１０での配置位置によらずに、大きいトルクが得られることを示唆する。このことから、外側磁石３０ａがサマリウム－鉄－窒素系磁石を含み、内側磁石３０ｂが重希土類元素を含有するネオジム－鉄－ボロン系磁石を含んでもよい。あるいは、外側磁石３０ａが重希土類元素を含有するネオジム－鉄－ボロン系磁石を含み、内側磁石３０ｂがサマリウム－鉄－窒素系磁石を含んでもよい。

永久磁石３０の長手方向長さは、１０ｍｍ以上、１１ｍｍ以上、１２ｍｍ以上、又は１３ｍｍ以上であってよく、１７ｍｍ以下、１６ｍｍ以下、又は１５ｍｍ以下であってよい。永久磁石３０の短手方向長さは、３ｍｍ以上、４ｍｍ以上、又は５ｍｍ以上であってよく、９ｍｍ以下、８ｍｍ以下、又は７ｍｍ以下であってよい。また、永久磁石３０のアスペクト比は、２．０以上、２．１以上、２．２以上、２．３以上、又は２．４以上であってよく、３．０以下、２．９以下、２．８以下、２．７以下、又は２．５以下であってよい。

トルク向上の観点からは、角度θは、６８．５°以上、６８．７以上、又は６９．０°以上であってよく、７８．０°以下、７６．０°以下、７４．０°以下、７２．０°以下、又は７０．０以下であってよい。

また、永久磁石３０の形状は、必ずしも直方体に限られず、回転し１０の曲率に応じた曲面を有していてもよい。

これまで、本開示の永久磁石式モータの態様が、ＩＰＭモータである場合について説明してきた。理論に拘束されないが、本発明の効果は、固定子２０からの外部磁場と、外側磁石３０ａ及び内側磁石３０ｂの組合せとの関係に由来するものであると考えられる。そのため、本開示の永久磁石式モータの態様がＳＰＭモータであり、永久磁石３０が回転子１０の外周表面に装着されても、固定子２０からの外部磁場と、外側磁石３０ａ及び内側磁石３０ｂの組合せとの関係に、実質的に大きな差異はないと考えられる。したがって、本開示の永久磁石式モータの態様がＳＰＭモータの場合であっても、本開示の永久磁石式モータは、ＩＰＭモータの場合と同様の効果が得られると考えられる。

次に、外側磁石３０ａ及び／又は内側磁石３０ｂに含まれる、重希土類元素を含有するネオジム－鉄－ボロン系磁石、及びサマリウム－鉄－窒素系磁石について説明する。

〈重希土類元素を含有するネオジム－鉄－ボロン系磁石〉
重希土類元素を含有するネオジム－鉄－ボロン系磁石は、周知の方法で得られるものであってよい。例えば、重希土類元素を含有するネオジム－鉄－ボロン系磁石としては、ネオジム－鉄－ボロン系合金を粉砕して焼結し、その焼結体に重希土類元素を拡散浸透した磁石が挙げられる。本開示の永久磁石式モータの外側磁石３０ａ及び／又は内側磁石３０ｂに、このような磁石を使用する場合には、重希土類元素が拡散浸透された面を、固定子２０に対向させることが好ましい。これにより、固定子２０の側から流入してくる外部磁場を減磁し易くなる。

また、重希土類元素を含有するネオジム－鉄－ボロン系磁石としては、重希土類元素を含有するネオジム－鉄－ボロン系合金を粉砕して焼結した磁石が挙げられる。

本明細書において、重希土類元素とは、ジスプロシウム（Ｄｙ）及びテルビウム（Ｔｂ）と、これらよりも原子量の大きい希土類元素を意味し、特に、ジスプロシウム及びテルビウムを意味する。

重希土類元素を含有するネオジム－鉄－ボロン系磁石には、主要元素のネオジム、鉄、ボロン、及び重希土類元素の他に、Ｒ₂Ｆｅ₁₄Ｂ型の結晶構造（ただし、Ｒは希土類元素）を有する希土類磁石が一般的に含む元素を含有してよい。

〈サマリウム－鉄－窒素系磁石〉
サマリウム－鉄－窒素系磁石は、周知の方法で得られるものであってよい。例えば、サマリウム－鉄－窒素系磁性粉末に樹脂系のバインダを加えて固化したボンド磁石であってよい。あるいは、サマリウム－鉄－窒素系磁性粉末に低融点金属又は合金のバインダを加えて固化したメタルボンド磁石であってよい。低融点金属又は合金としては、亜鉛又は亜鉛合金等が挙げられる。

サマリウム－鉄－窒素系磁石は、少なくとも一部にＴｈ₂Ｚｎ₁₇型又はＴｈ₂Ｎｉ₁₇型の結晶構造を有する磁性相を含有していれば、サマリウム－鉄－窒素系磁石の組成については、特に制限はない。

〈固定子〉
固定子２０は、ＩＰＭモータ及び／又はＳＰＭモータの固定子として周知のものと同様でよい。

《本開示の永久磁石式モータの製造方法》
本開示の永久磁石式モータは、ＩＰＭモータ及びＳＰＭモータの公知の製造方法を適用して製造することができる。

本開示の永久磁石式モータ１００の永久磁石３０は、分割面５０で、外側磁石３０ａと内側磁石３０ｂに分割されている。外側磁石３０ａと内側磁石３０ｂを別々に準備し、貼り合わせる方法が典型的であるが、これに限られない。例えば、樹脂系バインダを混合した外側磁石用粉末と、樹脂系バインダを混合した内側磁石用粉末を準備し、これらを、分割面が形成されるように区分けして金型内に装入して固化してもよい。

回転子１０及び固定子２０のコアは、典型的には、軟磁性材料板等を積層して得られるが、これに限られない。軟磁性材料としては、典型的には、電磁鋼板であるが、これに限られない。

以下、本開示の永久磁石式モータを実施例及び比較例により、さらに具体的に説明する。なお、本開示の永久磁石式モータは、以下の実施例で用いた条件に限定されるものではない。

図３に示した角度θが０～９０°の解析モデルを作成し、電磁界解析ソフトウェアＪＭＡＧ（登録商標）－Ｄｅｓｉｇｎｅｒを用いて、解析した。解析においては、次の値を用いた。
室温時Ｂｒ（Ｔ）常用回転時Ｂｒ（Ｔ）
ネオジム－鉄－ボロン系磁石１．３５０１．２９５
サマリウム－鉄－窒素系磁石１．３５０１．３４８

外側磁石３０ａがサマリウム－鉄－窒素系磁石、内側磁石３０ｂがネオジム－鉄－ボロン系磁石であるときの結果を図４に示す。図４において、｛ＳｍＦｅＮ単体｝は「サマリウム－鉄－窒素系磁石単体」を意味する。「ＮｄＦｅＮ単体」とは、「重希土類元素を含有するネオジム－鉄－ボロン系磁石単体」を意味する。
図４から、角度θが６８．２～８０．０°のとき、本開示の永久磁石式モータ１００は、永久磁石３０が、単体のサマリウム－鉄－窒素系磁石であるときよりも高いトルクを得られていることが理解できる。

図５は、図１の左側の永久磁石３０について、固定子２０に対向する面３２での磁束密度を示すグラフである。図６は、図１の右側の永久磁石３０について、固定子２０に対向する面３２での磁束密度を示すグラフである。図５及び図６のいずれも、図４の「６９°」で示される磁石と「ＮｄＦｅＮ単体」で示される磁石につての磁束密度である。図５及び図６のいずれの場合においても、所定の角度θで永久磁石３０を分割することによって、永久磁石３０の表面の磁束密度が高まり、トルク向上に寄与していることが理解できる。

また、図７は、角度θが６８．２～８０．０°の場合について、外側磁石３０ａと内側磁石３０ｂの組合せを入れ替えたときのトルクの差異を示すグラフである。図７から、外側磁石３０ａと内側磁石３０ｂとを入れ替えても、それぞれ、ほぼ同程度のトルクが発生することが理解できる。このことから、角度θが６８．２～８０°であることを満たして永久磁石３０が分割されていれば、永久磁石３０の回転子１０での配置位置によらずに、大きいトルクが得られると考えられる。

これらの結果から、本開示の永久磁石式モータの効果を確認できた。

１０回転子
２０固定子
２５ティース部
３０永久磁石
３０ａ外側磁石
３０ｂ内側磁石
３２固定子に対向する面
３４保磁力向上領域
５２長手方向中心面
５４短手方向中心面
５６交線
１００本開示の永久磁石式モータ

Claims

内部に永久磁石が埋め込まれている、又は外周表面に永久磁石が装着されている回転子と、
前記回転子に対して所定の空隙を介して配置されている固定子と、
を備え、
前記永久磁石の長手方向中心面と前記永久磁石の短手方向中心面の交線を通り、前記短手方向中心面とのなす角θが６８．２～８０．０°である分割面で、前記永久磁石が、前記固定子の側の外側磁石と、前記固定子と反対側の内側磁石に分割されており、
前記内側磁石がサマリウム－鉄－窒素系磁石を含み、前記外側磁石が重希土類元素を含有するネオジム－鉄－ボロン系磁石を含む、
永久磁石式モータ。