JP7040335B2 - モータの制御方法 - Google Patents

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Description

本開示は、モータの制御方法に関する。本開示は、特に、回転子に永久磁石を配置し、マグネットトルクとリラクタンストルクを利用したモータの制御方法に関する。
従来、モータの性能は、定格運転(回転数及びトルクが一定の運転)時の効率で評価されていた。しかし、自動車等の移動体に用いられるモータの性能は、定格運転時の効率で評価することは難しい。例えば、自動車等の駆動用モータにおいては、低回転時(発進時)には、高トルクで使用され、高回転時(通常走行時)には、低トルクで使用される。そのため、自動車等の駆動用モータにおいては、低回転から高回転までの広い回転域で、高い効率が求められる。
自動車等の駆動用モータとして、永久磁石式モータ(PMモータ:Permanent Magnetモータ)が使用されている。永久磁石式モータは、回転子(ロータ)に永久磁石を配置したモータであり、磁石式同期モータとも呼ばれる。
永久磁石式モータの回転子に配置する永久磁石として、高磁束を有する永久磁石を用いると、高トルクを得ることができる。自動車等の駆動用モータとしては、発進時に、高トルクが求められるため、回転子に配置する永久磁石としては、高磁束を有する永久磁石が適用される。一方、通常走行時には、発進時ほど高トルクは求められない。また、通常走行時には、発進時と比べて、モータは高回転で稼働している。
永久磁石式モータにおいては、回転数が増加するにつれて、逆起電圧が上昇する。また、回転子に配置する永久磁石の磁束が大きいほど、逆起電圧は大きい。そして、逆起電圧は、引きずり損失の原因となる。このことから、回転子に高磁束を有する永久磁石を配置した永久磁石式モータを、自動車の駆動用モータとして使用した場合、発進時には高トルクが得られるが、通常走行時(高回転時)には、引きずり損失が大きくなる。
引きずり損失を低減するため、高回転時に、回転子に配置した永久磁石の磁束を低減させる可変界磁モータが提案されている。例えば、特許文献1には、固定子(ステータ)の径方向の外側に配置した外側回転子(アウタロータ)を、モータの軸方向にスライド運動して、外側回転子に配置した永久磁石の磁束を低減させる、アウタロータ型可変界磁モータが開示されている。
特開2016-103936号公報
特許文献1に開示されたモータにおいては、高回転時に、固定子コイル(ステータコイル)によって、外側回転子に配置した永久磁石の磁束と逆向きの磁束(以下、単に「逆向きの磁束」ということがある。)を発生させ、永久磁石の磁束を低減する。これにより、高回転時において、逆起電圧の上昇を抑制して、引きずり損失を低減する。
高回転時の逆起電圧は高電圧になっているため、固定子コイルで逆起電圧を打ち消すだけの磁束を発生させるには、固定子コイルに連結するインバータの負担が大きい、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。本開示は、可変界磁モータにおいて、回転子に配置した永久磁石の磁束と逆向きの磁束を発生させることなく、高回転時の引きずり損失を低減することができる、モータの制御方法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、本開示のモータの制御方法を完成させた。本開示のモータの制御方法は、次の態様を含む。
〈1〉回転子に永久磁石を配置し、マグネットトルクとリラクタンストルクを利用したモータの制御方法であって、
前記永久磁石が、磁性相と前記磁性相の周囲に存在する粒界相とを備える複合永久磁石であり、前記磁性相が、芯部と前記芯部の周囲に存在する外郭部とを備え、前記芯部及び前記外郭部の一方のキュリー温度がTc1Kであり、他方のキュリー温度がTc2Kであり、かつ、前記Tc2Kは前記Tc1Kよりも高く、かつ、
リラクタンストルクの大きさが、マグネットトルクの大きさ以上であるとき、前記複合永久磁石の温度を(Tc1-100)K以上Tc2K未満のTKにすること、及び
リラクタンストルクの大きさが、マグネットトルクの大きさ未満であるとき、前記複合永久磁石の温度を、TK及びTc1Kのいずれか低い方の温度未満にすること、
を含む、
モータの制御方法。
〈2〉前記芯部のキュリー温度がTc1K、かつ、前記外郭部のキュリー温度がTc2Kである、〈1〉項に記載の方法。
〈3〉前記複合永久磁石が、(R (1-x) Fe(100-y-W-z-v)Co(ここで、RはNd及びPrからなる群から選ばれる1種以上であり、Rは、Ce、La、Gd、Y、及びScからなる群から選ばれる1種以上であり、MはGa、Al、Cu、Au、Ag、Zn、In、及びMnからなる群から選ばれる1種以上並びに不可避的不純物であり、0<x<1、y=12~20、z=5.6~6.5、w=0~8、及びv=0~2)の全体組成を有し、
前記芯部におけるR/(R+R)が、前記外郭部におけるR/(R+R)よりも大きい、〈2〉項に記載の方法。
〈4〉前記磁性相の平均粒径が1000nm以下 である、〈3〉項に記載の方法。
〈5〉前記RがCe及びLaからなる群より選ばれる1種以上であり、かつ、前記RがNdである、〈3〉又は〈4〉項に記載の方法。
〈6〉前記RがCeであり、かつ、前記RがNdである、〈3〉又は〈4〉項に記載の方法。
〈7〉前記芯部のキュリー温度がTc2K、かつ、前記外郭部のキュリー温度がTc1Kである、〈1〉項に記載の方法。
〈8〉前記複合永久磁石が、(R (1-x) Fe(100-y-W-z-v)Co(ここで、RはNd及びPrからなる群から選ばれる1種以上であり、Rは、Ce、La、Gd、Y、及びScからなる群から選ばれる1種以上であり、MはGa、Al、Cu、Au、Ag、Zn、In、及びMnからなる群から選ばれる1種以上並びに不可避的不純物であり、0<x<1、y=12~20、z=5.6~6.5、w=0~8、及びv=0~2)の全体組成を有し、
前記芯部におけるR/(R+R)が、前記外郭部におけるR/(R+R)よりも大きい、〈7〉項に記載の方法。
〈9〉前記磁性相の平均粒径が1000nm以下である、〈8〉項に記載の方法。
〈10〉前記RがCe及びLaからなる群から選ばれる1種以上であり、かつ、前記RがNdである、〈8〉又は〈9〉項に記載の方法。
〈11〉前記RがCeであり、かつ、前記RがNdである、〈8〉又は〈9〉項に記載の方法。
〈12〉リラクタンストルクの大きさが、マグネットトルクの大きさ以上であるとき、前記モータに断熱材を配置して、前記複合永久磁石の温度を(Tc1-100)K以上Tc2K未満のTKにすること、及び
リラクタンストルクの大きさが、マグネットトルクの大きさ未満であるとき、前記モータから前記断熱材を除去して、前記複合永久磁石の温度を、TK及びTc1Kのいずれか低い方の温度未満にすること、
を含む、〈1〉~〈11〉項のいずれか一項に記載の方法。
〈13〉リラクタンストルクの大きさが、マグネットトルクの大きさ以上であるとき、前記モータの放熱部材を取り外し、前記複合永久磁石の温度を(Tc1-100)K以上Tc2K未満のTKにすること、及び
リラクタンストルクの大きさが、マグネットトルクの大きさ未満であるとき、前記モータに放熱部材を再配置し、前記複合永久磁石の温度を、TK及びTc1Kのいずれか低い方の温度未満にすること、
を含む、〈1〉~〈11〉項のいずれか一項に記載の方法。
〈14〉前記モータを、電動車に配置すること、
リラクタンストルクの大きさが、マグネットトルクの大きさ以上であるとき、前記モータへ供給される冷却流体の流量を減少させて、前記複合永久磁石の温度を(Tc1-100)K以上Tc2K未満のTKにすること、及び
リラクタンストルクの大きさが、マグネットトルクの大きさ未満であるとき、前記冷却流体の流量を増加させて、前記複合永久磁石の温度を、TK及びTc1Kのいずれか低い方の温度未満にすること、
を含む、〈1〉~〈11〉項のいずれか一項に記載の方法。
〈15〉前記電動車が、エンジンと前記モータとを備えるハイブリッド車であり、
前記冷却流体が、前記エンジンと前記モータとを連結する動力分割装置の内部に充填されている潤滑流体である、〈14〉項に記載の方法。
〈16〉リラクタンストルクの大きさが、マグネットトルクの大きさ以上であるとき、前記複合永久磁石の温度を(Tc1-50)K以上Tc2K未満のTKにする、〈1〉~〈15〉項のいずれか一項に記載の方法。
〈17〉リラクタンストルクの大きさが、マグネットトルクの大きさ以上であるとき、前記複合永久磁石の温度をTc1K以上Tc2K未満のTKにする、〈1〉~〈15〉項のいずれか一項に記載の方法。
〈18〉リラクタンストルクの大きさが、マグネットトルクの大きさ以上であるとき、前記複合永久磁石の温度を(Tc1-100)K以上(Tc2-5)K以下のTKにする、〈1〉~〈15〉項のいずれか一項に記載の方法。
〈19〉リラクタンストルクの大きさが、マグネットトルクの大きさ以上であるとき、前記複合永久磁石の温度を(Tc1-50)K以上(Tc2-5)K以下のTKにする、〈1〉~〈15〉項のいずれか一項に記載の方法。
〈20〉リラクタンストルクの大きさが、マグネットトルクの大きさ以上であるとき、前記複合永久磁石の温度をTc1K以上(Tc2-5)K以下のTKにする、〈1〉~〈15〉項のいずれか一項に記載の方法。
〈21〉リラクタンストルクの大きさが、マグネットトルクの大きさ以上であるとき、前記複合永久磁石の温度を(Tc1-100)K以上(Tc1+50)K以下のTKにする、〈1〉~〈15〉項のいずれか一項に記載の方法。
〈22〉リラクタンストルクの大きさが、マグネットトルクの大きさ以上であるとき、前記複合永久磁石の温度を(Tc1-50)K以上(Tc1+50)K以下のTKにする、〈1〉~〈15〉項のいずれか一項に記載の方法。
〈23〉リラクタンストルクの大きさが、マグネットトルクの大きさ以上であるとき、前記複合永久磁石の温度をTc1K以上(Tc1+50)K以下のTKにする、〈1〉~〈15〉項のいずれか一項に記載の方法。
〈24〉前記複合永久磁石の温度を、前記モータの内部又は外部に配置した温度センサで検知する、〈1〉~〈23〉項のいずれか一項に記載の方法。
本開示によれば、永久磁石式モータの回転子に、少なくとも二つの異なるキュリー温度を有する複合永久磁石を適用し、モータの回転数に応じて、複合永久磁石の温度を制御することによって、複合永久磁石を自己減磁及び自己再着磁することができる。その結果、本開示によれば、回転子に配置した永久磁石の磁束と逆向きの磁束を発生させることなく、高回転時の引きずり損失を低減することができる、モータの制御方法を提供することができる。
図1は、複合永久磁石を埋込磁石形モータの回転子に配置した一例を示す模式図である。 図2は、複合永久磁石の合金組織の概略を示す模式図である。 図3は、ハイブリッド自動車の駆動機構の一例を示す模式図である。 図4は、実施例の永久磁石について、走査型透過電子顕微鏡(STEM)を用いて合金組織を観察し、EPMA面分析した結果を示す図である。 図5は、実施例及び比較例の永久磁石について、キュリー温度を測定した結果を示すグラフである。 図6は、実施例の複合永久磁石について、適用温度と磁化回復率の関係を示すグラフである。
以下、本開示に係るモータの制御方法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、本開示に係るモータの制御方法を限定するものではない。
永久磁石式モータ(PMモータ:Permanent Magnetモータ)は、回転子(ロータ)に永久磁石を配置し、マグネットトルクとリラクタンストルクを利用したモータである。マグネットトルクは、回転子に配置した永久磁石による磁束と固定子コイル(ステータコイル)による磁束との相互作用によるトルクである。リラクタンストルクは、回転子の表面の鉄心部分と固定子コイルによる磁束との相互作用によるトルクである。
永久磁石式モータにおいては、低回転時に高いトルクが得られるが、回転数が増加するにつれて逆起電圧が上昇して、引きずり損失が大きくなる。また、永久磁石式モータにおいては、低回転時には、リラクタンストルクよりもマグネットトルクが大きく、回転数が増加するにつれて、リラクタンストルクが増加する。
永久磁石式モータを自動車の駆動用モータとして使用した場合、通常走行時及び高速道路走行時には、マグネットトルクよりもリラクタンストルクが大きくなる。このような高回転時(以下、単に「高回転時」ということがある。)には、永久磁石式モータでは、逆起電圧の上昇により、引きずり損失が大きくなっている。
高回転時において、永久磁石の磁束を低減(減磁)させるには、従来、永久磁石の外部から、永久磁石の磁束と逆向きの磁束を作用させていた。また、モータの稼働状態が高回転から低回転に戻ったときに、一旦減磁させた永久磁石を再着磁するため、永久磁石の外部から、永久磁石と同じ向きの磁束を作用させていた。
これらに代えて、少なくも二つの異なるキュリー温度を有する複合永久磁石を回転子に配置し、モータの回転数に応じて、複合永久磁石の温度を制御することによって、複合永久磁石を自己減磁及び自己再着磁できることを、本発明者らは知見した。そして、そのような複合永久磁石は、異なるキュリー温度を有する永久磁石を接合して得るのではなく、一つの永久磁石中に、異なるキュリー温度を有する合金組織(磁性相組織)を形成することによって得ることを、本発明者らは知見した。
これらの知見に基づく、本開示に係るモータの制御方法の構成要件を次に説明する。
《モータの制御方法》
本開示のモータの制御方法(以下、「本開示の方法」ということがある。)が対象とするモータは、回転子に永久磁石を配置し、マグネットトルクとリラクタンストルクを利用するモータである。そして、その永久磁石が、後述する複合永久磁石であればよい。このようなモータは、一般的に、永久磁石式モータ(PMモータ:Permanent Magnetモータ)と呼ばれている。
永久磁石式モータとしては、表面磁石形モータ及び埋込磁石形モータ等が挙げられる。表面磁石形モータは、永久磁石を回転子の表面に組み込むモータであり、SPM(Surface Permanent Motor)とも呼ばれる。埋込磁石形モータは、永久磁石を回転子の鉄心内部に組み込むモータであり、IPM(Interior Permanent Magnet)とも呼ばれる。
回転子に配置する永久磁石としては、少なくとも二つの異なるキュリー温度Tc1K及びTc2Kを有し、Tc2KがTc1Kよりも高い、複合永久磁石を適用する。
回転子に複合永久磁石を配置する位置については、従来の永久磁石式モータと同じでよい。図1は、複合永久磁石を埋込磁石形モータの回転子に配置した一例を示す模式図である。図1に示した例においては、回転子10の外側に固定子20を配置する。そして、回転子10に設けた孔12に、複合永久磁石50と、通常の永久磁石55を配置する。通常の永久磁石とは、一つのキュリー温度を有する永久磁石を意味する。通常の永久磁石としては、例えば、フェライト磁石及び希土類磁石等が挙げられる。
図1に示した例においては、複合永久磁石50を固定子20に近い位置に一つ配置し、通常の永久磁石55を固定子20から離れた位置に二つ配置しているが、これに限られない。複合永久磁石50と通常の永久磁石55の位置を逆にしてもよい。すなわち、通常の永久磁石55を固定子20に近い位置に一つ配置し、複合永久磁石50を固定子20から離れた位置に二つ配置してもよい。本開示の方法においては、固定子コイルによって、永久磁石に逆向きの磁束を発生させて、永久磁石を減磁する訳ではない。そのため、減磁する永久磁石を配置する位置が、固定子20から離れていてもよい。
本開示の方法においては、回転子10に配置した永久磁石の温度を制御することによって、永久磁石を自己減磁及び自己再着磁する。このことから、回転子10には、永久磁石として、少なくとも一つの複合永久磁石50を配置する。
複合永久磁石50は、少なくとも二つの異なるキュリー温度Tc1K及びTc2Kを有する。そして、Tc2Kは、Tc1Kよりも高い。このような複合永久磁石50の温度を制御することによって、複合永久磁石50を自己減磁及び自己再着磁することができる。
図2は、複合永久磁石50の合金組織の一部を示す模式図である。複合永久磁石50は、合金組織として、磁性相30と粒界相40を備える。粒界相40は、磁性相30の周囲に存在する。磁性相30は、芯部32と外郭部34を備える。外郭部34は、芯部32の周囲に存在する。
複合永久磁石50の磁力は、主として、磁性相30に起因する。「主として」とは、粒界相40にも、僅かではあるが、磁性を帯びている相が存在し得ることを意味する。
複合永久磁石50の磁性相30が芯部32と外郭部34を備えることにより、複合永久磁石50が少なくとも二つの異なるキュリー温度Tc1K及びTc2Kを有する。「少なくとも二つの」とは、粒界相40に僅かに存在し得る磁性を帯びた相が、Tc1K及びTc2K以外のキュリー温度を有することを意味する。
磁性相30のキュリー温度については、芯部32及び外郭部34の一方のキュリー温度がTc1Kであり、かつ他方のキュリー温度がTc2Kである。すなわち、芯部32のキュリー温度がTc1Kであり、かつ、外郭部のキュリー温度がTc2Kであってもよいし、あるいは、芯部32のキュリー温度がTc2Kであり、かつ、外郭部のキュリー温度がTc1Kであってもよい。どちらの場合も、複合永久磁石50の自己減磁のし易さは同等である。一方、芯部32のキュリー温度がTc1Kであり、かつ、外郭部のキュリー温度がTc2Kであると、自己減磁した複合永久磁石50を再着磁し易い。その理由については、後述する。
〈減磁工程〉
本開示の方法においては、リラクタンストルクの大きさが、マグネットトルクの大きさ以上であるとき、複合永久磁石50の温度を(Tc1-100)K以上Tc2K未満のTKにする。これにより、複合永久磁石50を減磁して、逆起電圧の上昇を抑制する。その結果、高回転時の引きずり損失を低減することができる。
複合永久磁石50の温度をTKにするために、電気ヒータ等をモータに配置してもよいし、モータの自己発生熱を利用してもよい。これらの点については、後述する。
複合永久磁石50は、回転子10に配置されるため、その温度を検知(測定)することは、必ずしも容易ではない。そのため、電気ヒータ等をモータに配置する場合には、例えば、電気ヒータの出力及び加熱開始からの時間と複合永久磁石50の温度との関係を予め調査しておき、加熱開始からの時間で複合永久磁石50の温度がTKになったことを判断してもよい。モータの自己発生熱を利用する場合には、同様に、自己発生熱の利用開始からの時間で複合永久磁石50の温度がTKになったことを判断してもよい。モータ以外の機器から受熱する場合には、受熱開始からの時間で複合永久磁石50の温度がTKになったことを判断してもよい。
あるいは、回転子10等の可動部以外の部位、すなわち、不可動部の温度と複合永久磁石50との温度との関係を予め調査しておき、不可動部の温度をセンサで検知して、前述の調査結果から、複合永久磁石50の温度がTKになったことを判断してもよい。不可動部としては、例えば、モータケーシング、軸受けケーシング、及び固定子20等が挙げられる。温度センサとしては、熱電対等の接触式センサを使用することができるが、赤外線放射温度計等の非接触式センサを使用してもよい。
上述したように、複合永久磁石50の磁性相30は、芯部32及び外郭部34を備える。そして、芯部32及び外郭部34の一方のキュリー温度がTc1Kであり、かつ他方のキュリー温度がTc2K(>Tc1K)である。このことから、複合永久磁石50の温度を(Tc1-100)K以上Tc2K未満のTKにすると、芯部32及び外郭部34のうち、キュリー温度がTc2Kである部分と比べて、キュリー温度がTc1Kである部分は、より大きく自己減磁する。なお、磁性相30(芯部32及び外郭部34)の温度は、複合永久磁石50の温度と等しいとする。
温度の上昇に伴って、磁性相は徐々に自己減磁し、キュリー温度に達すると、磁性相は完全に磁性を喪失する。磁性相30において、芯部32及び外郭部34のうち、キュリー温度がTc1Kである部分は、温度が(Tc1-100)Kになると、その部分の自己減磁が明瞭に認識できるようになる。そして、温度がTc1Kになると、その部分の磁性は完全に喪失する。高回転時の引きずり損失を一層低減するという観点からは、磁性相30をより自己減磁して、逆起電圧の上昇を一層低減することが好ましい。このことから、リラクタンストルクの大きさが、マグネットトルクの大きさ以上であるとき(高回転であるとき)、複合永久磁石50の温度の下限は、(Tc1-75)Kが好ましく、(Tc1-50)Kがより好ましく、(Tc1-25)Kがより一層好ましい。そして、複合永久磁石50の温度の下限については、Tc1Kであってもよい。このとき、キュリー温度がTc1Kである部分は、完全に磁性を喪失する。
一方、複合永久磁石50の温度がTc2K未満であれば、芯部32及び外郭部34のうち、キュリー温度がTc2Kである部分は、磁性を完全に喪失しない。これにより、モータの稼働状態が高回転から低回転になったとき、芯部32及び外郭部34のうち、キュリー温度がTc2Kである部分の磁束によって、キュリー温度がTc1Kである部分を再着磁することができる。キュリー温度がTc2Kである部分が、磁性を完全に喪失しないことを確実にする観点からは、複合永久磁石50の温度は、(Tc2-5)K以下、(Tc2-10)K以下、又は(Tc2-20)K以下であってよい。なお、再着磁の方法については、後述する。
キュリー温度がTc1Kである部分を再着磁する際には、キュリー温度がTc2Kである部分の磁束が高い方がよい。キュリー温度がTc1Kである部分を減磁するために、複合永久磁石50の温度を(Tc1-100)K以上Tc2K未満のTKにする。その際に、キュリー温度がTc2Kである部分の磁束の減少をできるだけ少なくするために、複合永久磁石50の温度は、Tc1K以上である限りにおいて、できるだけ低い方が好ましい。すなわち、リラクタンストルクの大きさが、マグネットトルクの大きさ以上であるとき、複合永久磁石の温度は、(Tc1+50)K以下が好ましく、(Tc1+30)K以下がより好ましく、(Tc1+10)K以下がより一層好ましい。
例えば、芯部32のキュリー温度がTc1Kであり、かつ、外郭部のキュリー温度がTc2Kである場合には、複合永久磁石50の温度を(Tc1-100)K以上Tc2K未満のTKにすると、外郭部34と比べて、芯部32は、より大きく自己減磁する。一方、外郭部34は、磁性を完全に喪失しないため、外郭部34の磁束によって、芯部32を再着磁することができる。
上述の態様とは逆に、芯部32のキュリー温度がTc2Kであり、かつ、外郭部のキュリー温度がTc1Kである場合には、複合永久磁石50の温度を(Tc1-100)K以上Tc2K未満のTKにすると、芯部32と比べて、外郭部34は、より大きく自己減磁する。一方、芯部32は、磁性を完全に喪失しないため、芯部32の磁束によって、外郭部34を再着磁することができる。
〈再着磁工程〉
本開示の方法においては、リラクタンストルクの大きさが、マグネットトルクの大きさ未満であるとき(モータが低回転であるとき)、複合永久磁石50の温度をTK及びTc1Kのいずれか低い方の温度未満にする。これにより、芯部32及び外郭部34のうち、キュリー温度がTc2Kである部分の磁束によって、キュリー温度がTc1Kである部分を再着磁することができる。
本明細書においては、「再着磁」には、完全に磁性を喪失した部分を再着磁する場合だけでなく、磁束が減少した部分(減磁した部分)の磁束を増加(回復)させる場合も含むものとする。「磁束が減少した部分(減磁した部分)の磁束を増加(回復)させる場合」には、例えば、次のような場合がある。リラクタンストルクの大きさが、マグネットトルクの大きさ以上であるとき(高回転であるとき)、複合永久磁石50の温度を(Tc1-100)Kにすると、キュリー温度がTc1Kである部分は、すべての磁性を喪失するわけではなく、磁束が減少するだけである。この状態で、リラクタンストルクの大きさが、マグネットトルクの大きさ未満であるとき、(Tc1-100)Kにすると、キュリー温度がTc1Kである部分の磁束が増加(回復)する。
「再着磁」の定義に関連し、再着磁する際の複合永久磁石50の温度を「複合永久磁石50の温度をTc1K未満にする。」ではなく、「複合永久磁石50の温度をTK及びTc1Kのいずれか低い方の温度未満にする。」とした理由について説明する。
リラクタンストルクの大きさが、マグネットトルクの大きさ未満であるとき(低回転であるとき)、複合永久磁石50の温度を、(Tc1-100)以上Tc1K未満のTKにする場合、キュリー温度がTc1Kである部分は、磁束を完全喪失せず、減磁に留まる。このような場合に、再着磁する際の複合永久磁石50の温度を「複合永久磁石50の温度をTc1K未満にする。」としてしまうと、TK<Tc1Kとなる。これは、再着磁に際して、複合永久磁石50の温度を、さらに上昇させることになるし、このようにしても、複合永久磁石50を再着磁することはできない。このような場合には、再着磁に際しては、複合永久磁石50の温度は、Tc1K未満にするだけでは不十分で、TK未満にする必要がある。
一方、リラクタンストルクの大きさが、マグネットトルクの大きさ未満であるとき(低回転であるとき)、複合永久磁石50の温度を、Tc1以上Tc2K未満のTKにする場合、Tc1K<TKであり、再着磁する際の複合永久磁石50の温度は、Tc1K未満にすれば十分である。
なお、以下の説明において、「複合永久磁石50の温度をTK及びTc1Kのいずれか低い方の温度未満にする。」の「TK及びTc1Kのいずれか低い方の温度」は、便宜的に「TK」と表記するときがある。すなわち、TKは、「TK及びTc1Kのいずれか低い方の温度」を意味する。
複合永久磁石50の温度をTK未満にするために、冷却回路等をモータに配置して強制冷却してもよいし、高回転時に複合永久磁石50の温度をTKにするために行ったこと(以下、「与熱」ということがある。)を停止してもよい。モータは、自己発熱を放熱するような構造にしているため、与熱を停止するだけでも、複合永久磁石50を冷却することになり、その温度をTK未満にすることができる。これらの点については、後述する。なお、リラクタンストルクの大きさが、マグネットトルクの大きさ未満であるとき、複合永久磁石50の温度はTK未満になっていれば、複合永久磁石50の温度の下限については、特に制限はないが、室温(298K)を下限とするのが一般的である。これは、複合永久磁石50の温度を室温以下にするには、特段の冷却装置が必要となるためである。
複合永久磁石50は、回転子10に配置されているため、その温度を検知(測定)することは、必ずしも容易ではない。そのため、強制冷却する場合には、例えば、強制冷却開始からの時間と複合永久磁石50の温度との関係を予め調査しておき、強制冷却開始からの時間で複合永久磁石50の温度がTK未満になったことを判断してもよい。モータへ与熱を停止する場合には、同様に、与熱停止の開始からの時間で複合永久磁石50の温度がTK未満になったことを判断してもよい。
あるいは、回転子10等の可動部以外の部位、すなわち、不可動部の温度と複合永久磁石50との温度との関係を予め調査しておき、不可動部の温度をセンサで検知して、前述の調査結果から、複合永久磁石50の温度がTK未満になったことを判断してもよい。不可動部としては、例えば、モータケーシング、軸受けケーシング、及び固定子20等が挙げられる。センサとしては、熱電対等の接触式センサを使用することができるが、赤外線センサ等の非接触式センサを用いてもよい。
再着磁を確実にする観点からは、リラクタンストルクの大きさが、マグネットトルクの大きさ未満であるとき(モータが低回転であるとき)、複合永久磁石50の温度を(T-5)K以下、(T-10)以下、又は(T-20)K以下にしてもよい。
このように、複合永久磁石50を再着磁することによって、モータが低回転であるときに、高トルクを得ることができる。
例えば、芯部32のキュリー温度がTc1Kであり、かつ外郭部のキュリー温度がTc2Kである場合には、(Tc1-100)K以上Tc2K未満のTKで自己減磁した芯部32がTK未満になると、外郭部34の磁束によって、芯部32が再着磁する。本態様では、外郭部34が芯部32を包囲している。そのことから、次に説明する態様と比べて、本態様においては、外郭部34の磁束が、芯部32に作用し易いことから、再着磁の効率が高い。
上述の態様とは逆に、芯部32のキュリー温度がTc2Kであり、かつ、外郭部のキュリー温度がTc1Kである場合には、複合永久磁石50の温度を(Tc1-100)K以上Tc2K未満のTKで自己減磁した外郭部34がTK未満になると、芯部32の磁束によって、外郭部34が再着磁する。
これまで説明したように、本開示の方法においては、高回転時には複合永久磁石50の温度をTKにして複合永久磁石50を自己減磁し、低回転時には複合永久磁石の温度をTK未満にして複合永久磁石50を再着磁することによって、モータを可変界磁する。
〈断熱材の着脱〉
複合永久磁石50の温度をTKにするために、モータの自己発生熱を利用して、複合永久磁石50に与熱してもよい。例えば、リラクタンストルクの大きさが、マグネットトルクの大きさ以上であるとき、モータに断熱材を配置して、複合永久磁石50の温度を(Tc1-100)K以上Tc2K未満のTKにしてもよい。また、リラクタンストルクの大きさが、マグネットトルクの大きさ未満であるとき、モータから断熱材を除去して、複合永久磁石50の温度をTK未満にしてもよい。このようにすることにより、複合永久磁石50の温度を変化させるのに、特段の加熱源を設ける必要がなくなる。また、モータの自己発生熱を、大気中に放出することなく、有効利用することができる。
モータが高回転で稼働すると、逆起電圧の上昇によって、自己発熱する。複合永久磁石50の温度が、芯部32及び外郭部34のいずれのキュリー温度よりも高くなる、すなわち、Tc2Kよりも高くなると、複合永久磁石50は磁性を完全に喪失する。そうすると、モータが成立しなくなる。そのため、モータは自己発熱した熱を放出できるように設計されている。例えば、モータのケーシングにはフィンが設けられていたり、モータは外気と接触しやすい位置に配置されていたりする。
しかし、複合永久磁石50の温度がTc2Kを超えない限りにおいて、モータに断熱材を配置して、モータの自己発熱を利用して、複合永久磁石50の温度を上昇させて、芯部32及び/又は外郭部34を自己減磁させることができる。一方、モータが高回転から低回転になったときに、モータから断熱材を除去すれば自己発熱した熱を放出することができるため、複合永久磁石50の温度をTK未満にすることができる。その結果、芯部32又は外郭部34を再着磁することができる。
断熱材の種類等に、特段の制限はない。断熱材の種類としては、例えば、グラスウール等の繊維系材料及び硬質ウレタン等の発砲プラスチック系材料が挙げられる。
〈放熱部材の着脱〉
モータには、冷却フィン等の放熱部材が取り付けられていることが多い。放熱部材をモータから着脱することによって、複合永久磁石50の温度を変化させてもよい。すなわち、放熱部材をモータから取り外して、複合永久磁石50の温度を上昇させてもよい。また、放熱部材をモータに再配置して、複合永久磁石50の温度を低下させてもよい。
具体的には、リラクタンストルクの大きさが、マグネットトルクの大きさ以上であるとき、モータの放熱部材を取り外し、複合永久磁石の温度を(Tc1-100)K以上Tc2K未満のTKにしてもよい。一方、リラクタンストルクの大きさが、マグネットトルクの大きさ未満であるとき、前記モータに放熱部材を再配置し、前記複合永久磁石の温度を、TK及びTc1Kのいずれか低い方の温度未満にしてもよい。
放熱部材の材質等に、特段の制限はない。放熱部材の材質としては、例えば、AlN(窒化アルミニウム)のセラミック材、アルミニウム又はアルミニウム合金等の金属材料、AlNやBN(窒化ホウ素)フィラーを分散させた有機材料等が挙げられる。
〈冷却流体の利用〉
電動車には、インバータの冷却装置等を備えることが多い。そして、冷却装置中には、冷却流体が循環している。モータ中の複合永久磁石50を変化させるため、この冷却流体を利用してもよい。本明細書において、電動車とは、電気自動車、燃料電池車、及びハイブリッド車等、モータを少なくとも一つ備える自動車のことを意味する。
電動車に配置したモータ中の複合永久磁石50の温度を、例えば、次のようにして変化させてもよい。
リラクタンストルクの大きさが、マグネットトルクの大きさ以上であるとき、冷却流体の流量を減少させて、複合永久磁石50の冷却を弱め、複合永久磁石50の温度を上昇させる。これによって、モータの稼働状態が低回転から高回転になったとき、複合永久磁石50の温度を(Tc1-100)K以上Tc2K未満のTKに上昇させて、芯部32及び/又は外郭部34を自己減磁させることができる。また、リラクタンストルクの大きさが、マグネットトルクの大きさ未満であるとき、潤滑流体の流量を増加させて、複合永久磁石50の冷却を強め、複合永久磁石50の温度を低下させる。これによって、モータの稼働状態が高回転から低回転になったとき、複合永久磁石50の温度をTK未満に低下させて、芯部32又は外郭部34を再着磁することができる。
冷却流体は、電動車に配置した冷却装置から、ポンプ等を用いてモータに導入される。冷却装置は、インバータの冷却と共用してもよいし、モータの冷却専用としてもよい。冷却流体は、モータを冷却することができれば、特に制限はないが、典型的には水である。水には、不凍液を含有してもよい。
電動車が、エンジンとモータとを備えるハイブリッド車である場合には、冷却流体として、エンジンとモータとを連結する動力分割装置の内部に充填されている潤滑流体を利用することができる。すなわち、モータが、ハイブリッド自動車に配置されている場合には、複合永久磁石50の温度を変化させるために、動力分割装置の潤滑流体を利用することができる。
図3は、ハイブリッド自動車の駆動機構の一例を示す模式図である。図3に示した態様においては、モータ60とエンジン62とが、連結軸66を介して、動力分割装置64に連結されている。動力分割装置64の内部には遊星歯車(図示しない)が配置されており、これによって、動力が分割される。遊星歯車は潤滑流体で潤滑されている。
潤滑流体は、比較的低温(常温から50℃程度)である。したがって、図3に示したように、潤滑流体流路68a、68bを配置して、潤滑流体をモータ60に供給することによって、複合永久磁石50を冷却するための媒体として、潤滑流体を利用することができる。
また、潤滑流体の量は、冷却媒体として利用するのに十分であるため、複合永久磁石50を効率よく冷却することができる。また、潤滑流体の流量の制御によって、複合永久磁石50の温度を正確に制御することができる。
例えば、リラクタンストルクの大きさが、マグネットトルクの大きさ以上であるとき、潤滑流体の流量を減少させて、複合永久磁石50の冷却を弱め、複合永久磁石50の温度を上昇させる。これによって、モータの稼働状態が低回転から高回転になったとき、複合永久磁石50の温度を(Tc1-100)K以上Tc2K未満のTKに上昇させて、芯部32及び/又は外郭部34を自己減磁させることができる。また、リラクタンストルクの大きさが、マグネットトルクの大きさ未満であるとき、潤滑流体の流量を増加させて、複合永久磁石50の冷却を強め、複合永久磁石50の温度を低下させる。これによって、モータの稼働状態が高回転から低回転になったとき、複合永久磁石50の温度をTK未満に低下させて、芯部32又は外郭部34を再着磁することができる。
〈複合永久磁石の温度検知〉
複合永久磁石50の温度を、モータの内部又は外部に配置した温度センサで検知してもよい。このようにすることにより、複合永久磁石50を、正確に、減磁及び/又は再着磁することができる。
複合永久磁石50は、回転子10に配置するため、非接触式の温度センサを使用することが好ましい。非接触式の温度センサとしては、例えば、赤外線放射温度計等が挙げられる。
〈複合永久磁石〉
複合永久磁石50としては、上述の構成要件を満たしていれば、成分組成等については、特に制限はない。複合永久磁石50としては、例えば、アルニコ磁石、フェライト磁石、及び希土類磁石等が挙げられる。希土類磁石としては、例えば、ThMn12型の結晶構造を有する希土類磁石、あるいは、R14B(ここで、Rは希土類元素、TはFe、Co、及びNiからなる群から選ばれる1種以上、Bはホウ素)で表される磁性相を有する希土類磁石等が挙げられる。なお、本明細書において、希土類元素は、Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Luの17元素である。
本明細書では、複合永久磁石50の態様として、例えば、希土類磁石A(態様1)及び希土類磁石B(態様2)を次に示すが、これらに限られない。なお、希土類磁石Aに関する技術事項については、日本国特許第6183457号公報(JP6183457B2)を参照することができる。
〈希土類磁石A(態様1)〉
希土類磁石Aは、(R (1-x) Fe(100-y-W-z-v)Coで表される全体組成を有する。全体組成とは、図2において、磁性相30及び粒界相40の合計組成を意味する。
上述の組成式において、RはNd及びPrからなる群から選ばれる1種以上である。Rは、Ce、La、Gd、Y、及びScからなる群から選ばれる1種以上である。MはGa、Al、Cu、Au、Ag、Zn、In、及びMnからなる群から選ばれる1種以上並びに不可避的不純物である。
希土類磁石Aは、R (Fe、Co)14B又は(R、R(Fe、Co)14Bで表される磁性相を有する希土類磁石前駆体に、改質材として、Rを含有する低融点合金を拡散浸透させて得られる。このとき、希土類磁石前駆体の磁性相中のRと、改質材中のRとが入れ替わる。この入れ替わりは、希土類磁石前駆体の磁性相の表面近傍のみで起こる。そのため、図2に示したように、希土類磁石前駆体の磁性相中のRが、改質材中のRによって置換された外郭部34と、希土類磁石前駆体の磁性相のままの芯部32を形成する。このような形成過程により、芯部32においては、外郭部34においてよりも、多くのRが残留している。このことから、芯部32におけるR/(R+R)は、外郭部34におけるR/(R+R)よりも大きい。なお、R/(R+R)が、R及びRの合計含有量に対するRの含有量の割合(モル比)を示す。なお、希土類磁石前駆体が、R (Fe、Co)14Bで表される磁性相を有する場合には、上述したような入れ替わりは起こらない。その結果、磁性相が芯部と外郭部を有することはない。
上述したように、RはNd及びPrからなる群から選ばれる1種以上であり、Rは、Ce、La、Gd、Y、及びScからなる群から選ばれる1種以上である。すなわち、Rは軽希土類元素以外の希土類元素であり、Rは軽希土類元素である。このことから、外郭部34においてよりも、芯部32において、多くの軽希土類元素が残留している。
希土類磁石において、磁性相中の軽希土類元素の含有量が増加すると、希土類磁石のキュリー温度は低下する。このことから、希土類磁石Aにおいて、芯部32のキュリー温度はTc1Kであり、外郭部34のキュリー温度はTc2K(>Tc1K)である。
軽希土類元素以外の希土類元素で構成される磁性相の磁化及び異方性磁界は、軽希土類元素で構成される磁性相の磁化及びの磁化及び異方性磁界よりも高い。このことから、希土類磁石Aにおいては、R(軽希土類元素)を含有する磁性相を有する希土類磁石前駆体に、R(軽希土類以外の希土類元素)を拡散浸透して、複合永久磁石50を得ることによって、その磁化及び異方性磁界を高めていることになる。例えば、モータが自動車の駆動用に用いられる場合には、発進時(低回転時)に高トルクを必要とするため、回転子10に配置する複合永久磁石50の磁化及び異方性磁界は高い方がよい。そのため、外郭部34においてよりも、芯部32において、多くの軽希土類元素が残留している希土類磁石Aは、回転子10に配置する複合永久磁石として好都合である。
上述した全体組成の式は、改質材の拡散浸透が終了したあとの、磁性相30及び粒界相40の合計組成を示す。上述した全体組成の式において、xの値は、R及びRの合計含有量に対する、Rの含有量の割合(モル比)を示す。yの値は、R及びRの合計含有量(原子%)である。wの値は、Coの含有量(原子%)である。zの値は、B(ホウ素)の含有量(原子%)である。vの値は、Mの含有量(原子%)である。
改質材としては、Nd-Cu合金、Pr-Cu合金、Nd-Pr-Cu合金、Nd-Al合金、Pr-Al合金、Nd-Pr-Al合金、Nd-Co合金、Pr-Co合金、及びNd-Pr-Co合金等の低融点合金が挙げられる。このことから、上述した全体組成のMには、低融点合金が含有しているR以外の元素(例えば、Cu及び/又はAl等)を含む。改質材として、Nd-Co合金、Pr-Co合金、及び/又はNd-Pr-Co合金等の低融点合金を用い、希土類磁石前駆体にMを含有しない場合には、Mの含有量vは0原子%である。
希土類磁石Aは、R(軽希土類元素)を含有する磁性相を有する希土類磁石前駆体に、R(軽希土類以外の希土類元素)を含有する改質材を拡散浸透することによって得られる。上述した全体組成の式は、改質材を拡散浸透が終了したあとの組成を示すため、希土類磁石Aには、希土類元素として、R及びRの両方が存在していればよい。このことから、上述した全体組成の式において、RとRの合計含有量に対する、Rの含有量の割合(モル比)xは、0<x<1であればよい。すなわち、xは0でなければよく、かつ、1でなければよい。0<x<1とすることで、複合永久磁石50は、少なくとも二つの異なるキュリー温度Tc1K及びTc2K(ただし、Tc1K<Tc2K)を有する。Tc2KとTc2Kの差は、20K以上、60K以上、100K以上、又は140K以上であってよく、200K以下、190K以下、又は180K以下であってよい。このようなキュリー温度を有する複合永久磁石50のxは、典型的には、0.2以上、0.3以上、0.4以上であってよく、0.9以下、0.7以下、0.5以下であってよい。
また、上述した全体組成の式において、yはRとRの合計含有量、wはCoの含有量、zはBの含有量、vはMの含有量であり、y、w、z、及びvの値は、それぞれ、原子%である。これらの値については、y=12~20、z=5.6~6.5、w=0~8、及びv=0~2であれば、複合永久磁石50は、磁性相30と、磁性相30の周囲に存在する粒界相40を備えることができる。
改質材中のRは、希土類磁石前駆体の粒界相だけでなく、希土類磁石前駆体の磁性相にまで拡散浸透して、図2に示したように、芯部32と外郭部34を形成する。理論に拘束されないが、希土類磁石前駆体中の希土類元素Rと、改質材中の希土類元素Rとは、希土類元素の種類が異なる。そのため、改質材中のRと希土類磁石前駆体の磁性相中のRとが入れ替わる。その結果、改質材中のRは、希土類磁石前駆体の磁性相にまで拡散浸透する。
希土類磁石Aの保磁力を確保する観点からは、希土類磁石Aの磁性相30の平均粒径は1000nm以下であることが好ましい。希土類磁石前駆体の磁性相の粒径と、改質材の拡散浸透によって得た希土類磁石Aの磁性相30の粒径は、ほぼ等しいと考えられる。
希土類磁石Aの磁性相30の平均粒径は、1nm以上、10nm以上、50nm以上、又は100nm以上であってよく、900nm以下、700nm以下、500nm以下、又は300nm以下であってよい。なお、「平均粒径」とは、例えば、図2に示した磁性相30の長手方向の長さの平均値のことである。
希土類磁石前駆体は、例えば、次のようにして準備することが挙げられるが、これに限られない。例えば、液体急冷法又はストリップキャスト法によって、薄片を準備する。薄片を熱間圧縮成形(焼結)して、成形体(焼結体)を得る。熱間圧縮成形の前に、薄片を粗粉砕してもよい。さらに、任意で、成形体を、30~75%の圧下率で熱間強加工(熱間塑性加工)して、希土類磁石前駆体を得てもよい。これにより、希土類磁石前駆体は、熱間強加工方向(圧縮方向)に磁化容易軸を有する。希土類磁石Aの磁性相30の大きさは希土類磁石前駆体の磁性相の大きさと、ほぼ等しい。したがって、希土類磁石Aの磁性相の平均粒径を1000nm以下にするには、希土類磁石前駆体を準備する際、上記薄片を液体急冷法で準備することが好ましい。
〈希土類磁石B(態様2)〉
上述したように、希土類磁石A(態様1)を得るためには、R (Fe、Co)14B又は(R、R(Fe、Co)14Bで表される磁性相を有する希土類磁石前駆体に、改質材として、Rを含有する低融点合金を拡散浸透させる。これに代えて、R (Fe、Co)14B又は(R、R(Fe、Co)14Bで表される磁性相を有する希土類磁石前駆体に、改質材として、Rを含有する低融点合金を拡散浸透させてもよい。以下、R (Fe、Co)14B又は(R、R(Fe、Co)14Bで表される磁性相を有する希土類磁石前駆体に、改質材として、Rを含有する低融点合金を拡散浸透させて得た希土類磁石B(態様2)について説明する。
希土類磁石Bは、(R (1-x) Fe(100-y-W-z-v)Coで表される全体組成を有する。全体組成とは、図2において、磁性相30及び粒界相40の合計組成を意味する。
上述の組成式において、RはNd及びPrからなる群から選ばれる1種以上である。Rは、Ce、La、Gd、Y、及びScからなる群から選ばれる1種以上である。MはGa、Al、Cu、Au、Ag、Zn、In、及びMnからなる群から選ばれる1種以上並びに不可避的不純物である。
希土類磁石Bは、上述したように、R (Fe、Co)14B又は(R、R(Fe、Co)14Bで表される磁性相を有する希土類磁石前駆体に、改質材として、Rを含有する低融点合金を拡散浸透させて得られる。このとき、希土類磁石前駆体の磁性相中のRと、改質材中のRとが入れ替わる。この入れ替わりは、希土類磁石前駆体の磁性相の表面近傍のみで起こる。そのため、図2に示したように、希土類磁石前駆体の磁性相中のRが、改質材中のRによって置換された外郭部34と、希土類磁石前駆体の磁性相のままの芯部32を形成する。すなわち、芯部32においては、外郭部34においてよりも、多くのRが残留している。このことから、芯部32におけるR/(R+R)は、外郭部34におけるR/(R+R)よりも大きい。なお、希土類磁石前駆体が、R (Fe、Co)14Bで表される磁性相を有する場合には、上述したような入れ替わりは起こらない。その結果、磁性相が芯部と外郭部を有することはない。
上述したように、RはNd及びPrからなる群から選ばれる1種以上であり、Rは、Ce、La、Gd、Y、及びScからなる群から選ばれる1種以上である。すなわち、Rは軽希土類元素以外の希土類元素であり、Rは軽希土類元素である。このことから、外郭部34においてよりも、芯部32において、多くの軽希土類元素以外の希土類元素が残留している。逆にいうと、芯部32においてよりも、外郭部34において、多くの軽希土類元素が存在している。
希土類磁石において、磁性相中の軽希土類元素の含有量が増加すると、希土類磁石のキュリー温度は低下する。このことから、希土類磁石B(態様2)において、外郭部34のキュリー温度はTc1Kであり、芯部32のキュリー温度はTc2K(>Tc1K)である。
上述した全体組成の式は、改質材の拡散浸透が終了したあとの、磁性相30及び粒界相40の合計組成を示す。上述した全体組成の式において、xの値は、R及びRの合計含有量に対する、Rの含有量の割合(モル比)を示す。yの値は、R及びRの合計含有量(原子%)である。wの値は、Coの含有量(原子%)である。zの値は、B(ホウ素)の含有量(原子%)である。vの値は、Mの含有量(原子%)である。
改質材としては、Ce-Cu合金、La-Cu合金、Ce-La-Cu合金、Ce-Al合金、La-Al合金、Ce-La-Al合金、Ce-Co合金、La-Co合金、Ce-La-Co合金、Gd-Cu合金、Y-Cu合金、及びSc-Cu合金等の低融点合金が挙げられる。このことから、上述した全体組成のMには、低融点合金に含有しているR以外の元素(例えば、Cu及び/又はAl等)を含む。改質材として、Ce-Co合金La-Co合金、及び/又はCe-La-Co合金を用い、希土類磁石前駆体にMを含有しない場合には、Mの含有量vは0原子%である。
希土類磁石Bは、R(軽希土類元素以外の希土類元素)を含有する磁性相を有する希土類磁石前駆体に、R(軽希土類元素)を含有する改質材を拡散浸透することによって得られる。上述した全体組成の式は、改質材の拡散浸透が終了したあとの組成を示すため、希土類磁石Bには、希土類元素として、R及びRが共存していればよい。このことから、上述した全体組成の式において、RとRの合計含有量に対する、Rの含有量の割合(モル比)xは、0<x<1であればよい。すなわち、xは0でなければよく、かつ1でなければよい。0<x<1とすることで、複合永久磁石50は、少なくとも二つの異なるキュリー温度Tc1K及びTc2K(ただし、Tc1K<Tc2K)を有する。Tc2KとTc2Kの差は、20K以上、60K以上、100K以上、又は140K以上であってよく、200K以下、180K以下、又は160K以下であってよい。このようなキュリー温度を有する複合永久磁石50のxは、典型的には、0.2以上、0.3以上、0.4以上であってよく、0.9以下、0.7以下、0.5以下であってよい。
また、上述した全体組成の式において、yはRとRの合計含有量、wはCoの含有量、zはBの含有量、vはMの含有量であり、y、w、z、及びvの値は、それぞれ、原子%である。これらの値については、y=12~20、z=5.6~6.5、w=0~8、及びv=0~2であれば、複合永久磁石50は、磁性相30と、磁性相30の周囲に存在する粒界相40を備えることができる。
改質材中のRは、希土類磁石前駆体の粒界相だけでなく、希土類磁石前駆体の磁性相にまで拡散浸透して、図2に示したように、芯部32と外郭部34を形成する。理論に拘束されないが、希土類磁石前駆体中の希土類元素Rと、改質材中の希土類元素Rとは、希土類元素の種類が異なる。そのため、改質材中のRと希土類磁石前駆体の磁性相中のRとが入れ替わる。その結果、改質材中のRは、希土類磁石前駆体の磁性相にまで拡散浸透する。
希土類磁石Aの保磁力を確保する観点からは、希土類磁石Aの磁性相30の平均粒径は1000nm以下であることが好ましい。希土類磁石前駆体の磁性相の粒径と、改質材の拡散浸透によって得た希土類磁石Bの磁性相の粒径は、ほぼ等しいと考えられる。
希土類磁石Bの磁性相30の平均粒径は、1nm以上、10nm以上、50nm以上、又は100nm以上であってよく、900nm以下、700nm以下、500nm以下、又は300nm以下であってよい。なお、「平均粒径」とは、例えば、図2に示した磁性相30の長手方向の長さの平均値のことである。
希土類磁石前駆体は、例えば、次のようにして準備することが挙げられるが、これに限られない。例えば、液体急冷法又はストリップキャスト法によって、薄片を準備する。そして、薄片を熱間圧縮成形(焼結)して、成形体を得る。熱間圧縮成形(焼結)の前に、薄片を粗粉砕してもよい。さらに、任意で、成形体(焼結体)を、30~80%の圧下率で熱間強加工(熱間塑性加工)して、希土類磁石前駆体を得る。これにより、希土類磁石前駆体は、熱間強加工方向(圧縮方向)に磁化容易軸を有する。希土類磁石Bの磁性相30の大きさは希土類磁石前駆体の磁性相の大きさと、ほぼ等しい。したがって、希土類磁石Aの磁性相の平均粒径を1000nm以下にするには、希土類磁石前駆体を準備する際、上記薄片を液体急冷法で準備することが好ましい。
以下、本開示のモータの制御方法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、本開示のモータの制御方法は、以下の実施例で用いた条件に限定されるものではない。
《試料の準備》
試料として、実施例及び比較例の永久磁石を、次の要領で準備した。
〈実施例の永久磁石の準備〉
Ce13.80Fe75.70Co4.465.66Ga0.38で表される組成を有する合金溶湯を、単ロールを用いて液体急冷して薄帯を得た。液体急冷条件については、溶湯温度は1470℃、そして、ロール周速は30m/sとした。
薄帯を粒径200~600μmの粉末に粉砕したのち、これを焼結して、焼結体を得た。焼結条件については、温度は930K、圧力は400MPa、そして、加圧保持時間は5分とした。
焼結体を熱間強加工して、希土類磁石前駆体を得た。熱間強加工条件については、温度は1050K、圧下率は75%、そして、歪速度は0.1/sとした。希土類磁石前駆体は、熱間強加工方向(圧縮方向)に磁化容易軸を有していた。
希土類磁石前駆体の磁化困難磁区方向に改質材(低融点合金)を接触させ、これをアルゴンガス雰囲気で、970Kで6時間にわたり拡散浸透熱処理した。改質材(低融点合金)の組成はNd70Cu30とした。
〈比較例の永久磁石の準備〉
Nd13.80Fe75.71Co4.465.66Ga0.38で表される組成を有する合金溶湯を、単ロールを用いて液体急冷して薄帯を得た。液体急冷条件については、溶湯温度は1470℃、そして、ロール周速は30m/sとした。
薄帯を粒径200~600μmの粉末に粉砕したのち、これを焼結して、焼結体を得た。焼結条件については、温度は930K、圧力は400MPa、そして、加圧保持時間は5分とした。
焼結体を熱間強加工して、希土類磁石前駆体を得た。熱間強加工条件については、温度は1050K、圧下率は75%、そして、歪速度は0.1/sとした。希土類磁石前駆体は、熱間強加工方向(圧縮方向)に磁化容易軸を有していた。
希土類磁石前駆体の磁化困難磁区方向に改質材(低融点合金)を接触させ、これをアルゴンガス雰囲気で、970Kで6時間にわたり拡散浸透熱処理した。改質材(低融点合金)の組成はNd70Cu30とした。
《試料の評価》
試料として準備した実施例及び比較例の永久磁石を、次の要領で評価した。
〈評価1:合金組織観察及び組成分析〉
実施例の永久磁石について、走査型透過電子顕微鏡(STEM)を用いて合金組織を観察し、成分分析(EPMA面分析)を行った。
〈評価2:キュリー温度測定〉
実施例及び比較例の永久磁石について、キュリー温度を測定した。測定方法は、次のとおりである。実施例及び比較例の各試料について、10Tのパルス磁場を磁化容易軸方向に印加した後、振動試料磁気測定装置(VSM)を用いて、1Tの磁場を各試料に印加した状態で、各試料の温度を室温(298K)から600Kに上昇させながら、それらの磁化を測定して、キュリー温度を求めた。
〈評価3:自己再着磁性〉
実施例の永久磁石を3個準備して、試料1~3とした。試料1~3それぞれを、同一の条件で着磁した。着磁後の試料1~3それぞれについて、315K-適用温度-315Kのサイクルで加熱及び冷却し、適用温度に加熱する前の315Kでの磁化Bと、適用温度に加熱し冷却した後の315Kでの磁化Bを測定した。そして、次式により、磁化回復率を算出した。適用温度については、試料1が315K、試料2が445K、そして、試料3が588Kであった。
磁化回復率=B/B×100
《評価結果》
評価1~評価3までの結果は、次のとおりである。
〈評価1の結果〉
図4は、実施例の永久磁石について、走査型透過電子顕微鏡(STEM)を用いて合金組織を観察し、EPMA面分析した結果を示す図である。図4(a)はFeについて面分析した結果を示し、図4(b)はCeについて面分析した結果を示し、図4(c)はNdについて面分析した結果を示す。図4(a)~(c)それぞれにおいて、明視野で示される領域は、Feが存在する領域、Ceが存在する領域、及びNdが存在する領域を示す。
図4(a)~(c)で示された面分析結果について、図2の磁性相30及び粒界相40、並びに芯部32及び外郭部34と対応させて、次のことがいえる。
R-Fe-B系希土類磁石(Rは希土類元素)において、磁性相はRFe14Bであり、粒界相はRリッチ相であることから、R-Fe-B系希土類磁石中のFeの多くは、磁性相に存在することが知られている。また、改質材の拡散浸透前後で、Feの存在位置は変わらない。このことから、図4(a)において、明視野で示される領域は、磁性相30である。
希土類磁石前駆体はNdを含有せず、改質材の拡散浸透熱処理後も、芯部32にはNdが拡散浸透しない。このことから、図4(b)において、暗視野で示される領域は、芯部32である。
また、図4(a)の明視野で示される領域(磁性相30)は、図4(c)の暗視野で示される領域(芯部32)よりも大きい。これは、改質材中のNdが、磁性相30に拡散浸透し、外郭部34を形成したことを示唆している。
図4(b)においては、明視野と暗視野の区別が明瞭でない。このことは、希土類磁石前駆体で、Ceは磁性相30と粒界相40の両方に存在し、改良材の拡散浸透熱処理によって、外郭部34のCeの一部がNdに置換されることを示唆している。
これまで説明したことを纏めると、図4(a)~(c)から、芯部32はCeFe14Bの組成を有する相であり、外郭部34は(Ce、Nd)Fe14Bの組成を有する相であると考えられる。
〈評価2の結果〉
図5は、実施例及び比較例の永久磁石について、キュリー温度を測定した結果を示すグラフである。図5においては、磁化については、315Kのときの磁化を「1.0」として規格化してある。
図5から分かるように、実施例の永久磁石は、Tc1K(430K)とTc2K(595K)の二つの異なるキュリー温度を有する。Tc1Kは、芯部32のCeFe14Bの組成を有する相のキュリー温度、Tc2Kは、外郭部34の(Ce、Nd)Fe14Bの組成を有する相のキュリー温度であると考えられる。評価1の合金組織及び組成分析結果と、評価2のキュリー温度測定結果から、実施例1の永久磁石は、Tc1K及びTc2Kのキュリー温度を有する複合永久磁石であることを確認できた。
〈評価3の結果〉
図6は、実施例の永久磁石について、適用温度と磁化回復率の関係を示すグラフである。図6には、破線で、Tc1K(430K)を示した。また、実線は、磁化回復率の各算出値を、滑らかに連結したものである。そして、評価2の結果からTc2Kは595Kである。
図6には、適用温度が(Tc1-100)K以上Tc2K未満であるとき、磁化回復率が0を超えることが示されている。このことから、本開示の方法に従えば、モータの回転子に適用した複合永久磁石が、自己減磁及び自己再着磁することを理解できる。
評価1~3の結果から、本開示の方法に従えば、回転子に配置した永久磁石の磁束と逆向きの磁束を発生させることなく、高回転時の引きずり損失を低減可能なことが理解できる。
以上の結果から、本開示のモータの制御方法の効果を確認できた。
10 回転子
12 孔
20 固定子
30 磁性相
32 芯部
34 外郭部
40 粒界相
50 複合永久磁石
55 通常の永久磁石
60 モータ
62 エンジン
64 動力分割装置
66 連結軸
68a、68b 潤滑流体流路

Claims (23)

  1. 回転子に永久磁石を配置し、マグネットトルクとリラクタンストルクを利用したモータの制御方法であって、
    前記永久磁石が、磁性相と前記磁性相の周囲に存在する粒界相とを備える複合永久磁石であり、前記磁性相が、芯部と前記芯部の周囲に存在する外郭部とを備え、前記芯部及び前記外郭部の一方のキュリー温度がTc1Kであり、他方のキュリー温度がTc2Kであり、かつ、前記Tc2Kは前記Tc1Kよりも高く、かつ、
    リラクタンストルクの大きさが、マグネットトルクの大きさ以上であるような高回転数で前記モータが稼働しているとき、前記複合永久磁石を加熱し、前記モータの内部又は外部に配置したセンサで前記複合永久磁石の温度を検知して、前記複合永久磁石の温度を(Tc1-100)K以上Tc2K未満のTKに制御し、前記複合永久磁石を自己減磁すること、及び
    リラクタンストルクの大きさが、マグネットトルクの大きさ未満であるような低回転数で前記モータが稼働しているとき、前記モータを冷却し、前記モータの内部又は外部に配置したセンサで前記複合永久磁石の温度を検知して、前記複合永久磁石の温度を、TK及びTc1Kのいずれか低い方の温度未満に制御して、前記減磁後の前記複合永久磁石を自己再着磁すること、
    を含
    前記モータの自己発生熱の利用及びヒータの使用の少なくともいずれかによって、前記複合永久磁石の前記加熱を行い、かつ、前記モータの自己発生熱の放熱及び冷却流体の利用の少なくともいずれかによって、前記複合永久磁石の冷却を行う、
    モータの制御方法。
  2. 前記芯部のキュリー温度がTc1K、かつ、前記外郭部のキュリー温度がTc2Kである、請求項1に記載の方法。
  3. 前記複合永久磁石が、(R (1-x) Fe(100-y-W-z-v)Co(ここで、RはNd及びPrからなる群から選ばれる1種以上であり、Rは、Ce、La、Gd、Y、及びScからなる群から選ばれる1種以上であり、MはGa、Al、Cu、Au、Ag、Zn、In、及びMnからなる群から選ばれる1種以上並びに不可避的不純物であり、0<x<1、y=12~20、z=5.6~6.5、w=0~8、及びv=0~2)の全体組成を有し、
    前記芯部におけるR/(R+R)が、前記外郭部におけるR/(R+R)よりも大きい、請求項2に記載の方法。
  4. 前記磁性相の平均粒径が1000nm以下である、請求項3に記載の方法。
  5. 前記RがCe及びLaからなる群より選ばれる1種以上であり、かつ、前記RがNdである、請求項3又は4に記載の方法。
  6. 前記RがCeであり、かつ、前記RがNdである、請求項3又は4に記載の方法。
  7. 前記芯部のキュリー温度がTc2K、かつ、前記外郭部のキュリー温度がTc1Kである、請求項1に記載の方法。
  8. 前記複合永久磁石が、(R (1-x) Fe(100-y-W-z-v)Co(ここで、RはNd及びPrからなる群から選ばれる1種以上であり、Rは、Ce、La、Gd、Y、及びScからなる群から選ばれる1種以上であり、MはGa、Al、Cu、Au、Ag、Zn、In、及びMnからなる群から選ばれる1種以上並びに不可避的不純物であり、0<x<1、y=12~20、z=5.6~6.5、w=0~8、及びv=0~2)の全体組成を有し、
    前記芯部におけるR/(R+R)が、前記外郭部におけるR/(R+R)よりも大きい、請求項7に記載の方法。
  9. 前記磁性相の平均粒径が1000nm以下である、請求項8に記載の方法。
  10. 前記RがCe及びLaからなる群から選ばれる1種以上であり、かつ、前記RがNdである、請求項8又は9に記載の方法。
  11. 前記RがCeであり、かつ、前記RがNdである、請求項8又は9に記載の方法。
  12. リラクタンストルクの大きさが、マグネットトルクの大きさ以上であるとき、前記モータに断熱材を配置して、前記複合永久磁石の温度を(Tc1-100)K以上Tc2K未満のTKにすること、及び
    リラクタンストルクの大きさが、マグネットトルクの大きさ未満であるとき、前記モータから前記断熱材を除去して、前記複合永久磁石の温度を、TK及びTc1Kのいずれか低い方の温度未満にすること、
    を含む、請求項1~11のいずれか一項に記載の方法。
  13. リラクタンストルクの大きさが、マグネットトルクの大きさ以上であるとき、前記モータの放熱部材を取り外し、前記複合永久磁石の温度を(Tc1-100)K以上Tc2K未満のTKにすること、及び
    リラクタンストルクの大きさが、マグネットトルクの大きさ未満であるとき、前記モータに放熱部材を再配置し、前記複合永久磁石の温度を、TK及びTc1Kのいずれか低い方の温度未満にすること、
    を含む、請求項1~11のいずれか一項に記載の方法。
  14. 前記モータを、電動車に配置すること、
    リラクタンストルクの大きさが、マグネットトルクの大きさ以上であるとき、前記モータへ供給される冷却流体の流量を減少させて、前記複合永久磁石の温度を(Tc1-100)K以上Tc2K未満のTKにすること、及び
    リラクタンストルクの大きさが、マグネットトルクの大きさ未満であるとき、前記冷却流体の流量を増加させて、前記複合永久磁石の温度を、TK及びTc1Kのいずれか低い方の温度未満にすること、
    を含む、請求項1~11のいずれか一項に記載の方法。
  15. 前記電動車が、エンジンと前記モータとを備えるハイブリッド車であり、
    前記冷却流体が、前記エンジンと前記モータとを連結する動力分割装置の内部に充填されている潤滑流体である、請求項14に記載の方法。
  16. リラクタンストルクの大きさが、マグネットトルクの大きさ以上であるとき、前記複合永久磁石の温度を(Tc1-50)K以上Tc2K未満のTKにする、請求項1~15のいずれか一項に記載の方法。
  17. リラクタンストルクの大きさが、マグネットトルクの大きさ以上であるとき、前記複合永久磁石の温度をTc1K以上Tc2K未満のTKにする、請求項1~15のいずれか一項に記載の方法。
  18. リラクタンストルクの大きさが、マグネットトルクの大きさ以上であるとき、前記複合永久磁石の温度を(Tc1-100)K以上(Tc2-5)K以下のTKにする、請求項1~15のいずれか一項に記載の方法。
  19. リラクタンストルクの大きさが、マグネットトルクの大きさ以上であるとき、前記複合永久磁石の温度を(Tc1-50)K以上(Tc2-5)K以下のTKにする、請求項1~15のいずれか一項に記載の方法。
  20. リラクタンストルクの大きさが、マグネットトルクの大きさ以上であるとき、前記複合永久磁石の温度をTc1K以上(Tc2-5)K以下のTKにする、請求項1~15のいずれか一項に記載の方法。
  21. リラクタンストルクの大きさが、マグネットトルクの大きさ以上であるとき、前記複合永久磁石の温度を(Tc1-100)K以上(Tc1+50)K以下のTKにする、請求項1~15のいずれか一項に記載の方法。
  22. リラクタンストルクの大きさが、マグネットトルクの大きさ以上であるとき、前記複合永久磁石の温度を(Tc1-50)K以上(Tc1+50)K以下のTKにする、請求項1~15のいずれか一項に記載の方法。
  23. リラクタンストルクの大きさが、マグネットトルクの大きさ以上であるとき、前記複合永久磁石の温度をTc1K以上(Tc1+50)K以下のTKにする、請求項1~15のいずれか一項に記載の方法。
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