JP7047433B2 - motor - Google Patents
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本発明は、永久磁石を使用するモータに関する。 The present invention relates to a motor using a permanent magnet.
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。 There are also motors that use permanent magnets made of materials that do not contain Dy or Tb. Normally, in a motor, when the rotation speed of the motor is high, the magnetic flux generated from the rotor causes a counter electromotive force to be generated in the coil on the stator side due to the change in the magnetic flux. When such a counter electromotive force is generated, when the engine is mainly used for high-speed driving, it becomes a load on the engine and high-speed fuel consumption is deteriorated. Therefore, in order to reduce the magnetic flux of the magnet from the stator, the magnetic flux of the magnet is reduced by applying a reverse magnetic field in synchronization with the rotation of the magnet. This is called "weakened field". Such a weakened field may cause an increase in power loss (copper loss), heat generation of the motor, and the like. A motor capable of avoiding this is described in Patent Document 2.
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。 In Patent Document 2, the rotor is provided with a temperature-sensitive magnetic material. When the rotation speed of the motor is high, the temperature of the rotor rises, so that the temperature of the temperature-sensitive magnetic material rises and the magnetic permeability decreases. By reducing the magnetic permeability of the temperature-sensitive magnetic material, the magnetic flux of the permanent magnets alternated by the coil of the stator is reduced. Therefore, the counter electromotive force becomes small, and even if a large field weakening power is not applied, the induced power in the coil of the stator becomes small, so that heat generation in the stator is suppressed.
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。しかし、高温域でのモータ最大トルクが小さくなるのを避けられない。 The motor described in Patent Document 2 can be expected to improve the operating efficiency at high speed rotation of the motor without using the expensive Dy and Tb. As the temperature-sensitive magnetic material to be used, a ferricolloid which is a liquid and an iron-based alloy which is fixed are described. As an embodiment of the temperature-sensitive magnetic material, an embodiment in which one kind of temperature-sensitive magnetic material is arranged as one layer around a permanent magnet is illustrated. Also in this embodiment, by using the temperature-sensitive magnetic material, the effective operating temperature of the motor can be made higher than that of the non-used one. However, it is unavoidable that the maximum motor torque in the high temperature range becomes small.
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、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、高温域でのモータ最大トルクの変動幅を緩和することで、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。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and in a motor provided with a rotor in which a temperature-sensitive magnetic material is arranged together with a permanent magnet, the fluctuation range of the maximum torque of the motor in a high temperature range is relaxed to achieve a high temperature. An object of the present invention is to provide a motor capable of further improving the operating efficiency of the motor in the region.
本発明によるモータは、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であって、前記ロータは、前記永久磁石の少なくとも前記コイルに面する側に、2層以上の感温磁性材料の層を備え、各層を構成する感温磁性材料はキュリー温度がそれぞれ異なることを特徴とする。 The motor according to the present invention is a motor including a stator provided with a coil and a rotor provided with a permanent magnet, wherein the rotor is a temperature-sensitive magnetic material having two or more layers on at least the side of the permanent magnet facing the coil. The temperature-sensitive magnetic materials constituting each layer are characterized by having different curry temperatures.
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を2層以上とし、各層を構成する感温磁性材料は、そのキュリー温度がそれぞれ異なるようにしている。それにより、感温磁性材料によって生じる、高温域でのモータ最大トルクの変動幅を段階的に低減できるようになり、高温域でのモータの運転効率をより改善できるようになる。 In the motor according to the present invention, the temperature-sensitive magnetic material arranged in the rotor is two or more layers in order to reduce the counter electromotive force generated in the coil of the stator during high-speed rotation, and the temperature-sensitive magnetic material constituting each layer is used. The Curie temperature is different for each. As a result, the fluctuation range of the maximum motor torque in the high temperature region caused by the temperature-sensitive magnetic material can be gradually reduced, and the operating efficiency of the motor in the high temperature region can be further improved.
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
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。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a part of a motor according to the present embodiment. The
図2は、図1のA-A線、B-B線、C-C線に沿う断面図である。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。前記空間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と感温磁性材料積層体24とが径方向に積層された状態で挿入されている。感温磁性材料積層体24は、キュリー温度Tcが異なる2層以上の平板状の感温磁性材料からなる。この例では、感温磁性材料積層体24は、第1感温磁性材料層24a、第2感温磁性材料層24b、第3感温磁性材料層24cの3層構造からなっている。
FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the lines AA, BB, and CC of FIG. As shown in the cross-sectional view of FIG. 2, the
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。
In the
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。それぞれの空間22a、22b、22c内には、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と感温磁性材料積層体24とが、径方向に積層された状態で、かつ、永久磁石23における前記ステータ10のコイル13に面する側に感温磁性材料積層体24が位置するようにして、挿入されている。
In the present embodiment, the
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、各空間22a、22b、22c内には、前記したようにして永久磁石23と感温磁性材料積層体24との積層体が、それぞれ挿入されている。
In the illustrated example, the
好ましくは、感温磁性材料積層体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。
Preferably, the temperature-sensitive
本実施の形態において、感温磁性材料積層体24を構成する、第1感温磁性材料層24a、第2感温磁性材料層24bおよび第3感温磁性材料層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Fe2O3系酸化物磁性体を挙げることができる。第1感温磁性材料層24a、第2感温磁性材料層24bおよび第3感温磁性材料層24cのキュリー温度Tcは、それぞれ異なっている。なお、この種の材料は市場から入手できる。
In the present embodiment, the materials of the first temperature-sensitive
前記した感温磁性材料の特性を、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(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3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。 The characteristics of the temperature-sensitive magnetic material described above will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a graph showing the relationship between the saturation magnetic flux density (G) and the temperature (° C.) of the temperature-sensitive magnetic material, and the horizontal axis shows the temperature (° C.) and the vertical axis shows the saturation magnetic flux density (G). As the graph shows, the temperature-sensitive magnetic material has a characteristic that the magnetic resistance is low and the magnetic flux easily passes at a low temperature, and the magnetic resistance is high and the magnetic flux is difficult to pass at a high temperature. For example, in the temperature-sensitive magnetic material a having Tc = 150 ° C., since it is ferrimagnetic at 150 ° C. or lower, magnetic magnetic flux is passed through, but at higher temperatures, it becomes paramagnetic and becomes the same state as the air layer. This makes it difficult for magnetic flux to pass through. As shown in FIG. 3, various types of temperature-sensitive magnetic materials having different Curie temperature Tc (here, seven types of temperature-sensitive magnetic material a to temperature-sensitive magnetic material e) are easily available.
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)に感温磁性材料積層体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。
In the
ロータを備えたモータにおいて、ロータ20に配置した永久磁石23のロータ外径側表面部α点(図2参照)における、逆磁界と磁石保持力の関係、およびモータの最大トルクの関係について、説明する。図4は、従来のモータ、すなわち前記した感温磁性材料を使用しないモータでの、それらの関係を示しており、図4(a)は、磁石保磁力(Hcj(kA/m))と磁石にかかる最大逆磁界(Hmax(kA/m))の関係を、図4(b)は、磁石保磁力とモータ最大トルク(N・m)の関係を示している。
In a motor equipped with a rotor, the relationship between the reverse magnetic field and the magnet holding force and the relationship between the maximum torque of the motor at the rotor outer diameter side surface α point (see FIG. 2) of the
磁石に掛かる最大逆磁界(Hmax(kA/m))が永久磁石の保磁力Hcjより大きくなると磁石が減磁することから、図4(a)に示すよう、モータにおける、磁石使用限界温度Tu1が定まり、図4(b)に示すよう、モータ最大トルク(N・m)も定まってくる。磁石使用限界温度Tu1以上では、モータの制御が困難となる。 When the maximum reverse magnetic field (Hmax (kA / m)) applied to the magnet becomes larger than the coercive force Hcj of the permanent magnet, the magnet is demagnetized. Therefore, as shown in FIG. 4A, the magnet use limit temperature Tu1 in the motor is set. As shown in FIG. 4B, the maximum motor torque (Nm) is also determined. If the magnet usage limit temperature is Tu1 or higher, it becomes difficult to control the motor.
感温磁性材料を使用することで、磁石使用限界温度Tu1をより高い温度Tu2に変えることができる。その状態を、図5を参照して説明する。図5(a)は磁石保磁力と磁石にかかる最大逆磁界の関係を、図5(b)は磁石保磁力とモータ最大トルクの関係を示しており、それぞれ図4(a)および図4(b)に対応する図である。 By using the temperature-sensitive magnetic material, the magnet use limit temperature Tu1 can be changed to a higher temperature Tu2. The state will be described with reference to FIG. FIG. 5 (a) shows the relationship between the magnet coercive force and the maximum reverse magnetic field applied to the magnet, and FIG. 5 (b) shows the relationship between the magnet coercive force and the maximum motor torque, which are shown in FIGS. 4 (a) and 4 (a), respectively. It is a figure corresponding to b).
ここでは、使用する感温磁性材料は1種類であり、その1層が永久磁石に積層されている。使用する感温磁性材のキュリー温度TcをTckとすると、Tck以上の温度では、ステータ10側からの磁界は、感温磁性材料の部分で通り難くなり、結果、永久磁石への逆磁界が小さくなって、永久磁石の減磁がし難くなる。結果、最大逆磁界Hmax(kA/m)が低減し、磁石使用限界温度をより高い温度Tu2(>Tu1)まで上げることが可能となる。しかし、その場合、図5(b)に示すよう、モータ最大トルク(N・m)は、使用する感温磁性材料のキュリー温度Tc、すなわちTckに依存した値となり、高温域、換言すれば使用する感温磁性材料のTck以上の温度域(前記Tu1~Tu2近傍での温度域)でのモータ最大トルク(N・m)は、小さいものとならざるを得ない。
Here, one kind of temperature-sensitive magnetic material is used, and one layer thereof is laminated on a permanent magnet. Assuming that the Curie temperature Tc of the temperature-sensitive magnetic material used is Tck, at temperatures above Tck, the magnetic field from the
本実施の形態によるモータは、その不都合を改善したものであり、感温磁性材料を1層でなく、キュリー温度Tcが異なる感温磁性材料を2層以上に積層した状態で用いることで、この不都合を解決する。 The motor according to the present embodiment has improved the inconvenience, and by using the temperature-sensitive magnetic material in a state of being laminated in two or more layers having different Curie temperature Tc instead of one layer. Resolve the inconvenience.
図6を参照して、その一形態を説明する。図6に示す例は、3層からなる感温磁性材料積層体24が永久磁石23に積層されている場合での、図5(a)および図5(b)に対応する図である。これは、図2に基づき説明したロータ20の場合に相当しており、限定されないが、一例として、図2でいう第1感温磁性材料層24aには、図3に例示した感温磁性材料a(Tc=150℃)を、第2感温磁性材料層24bには、感温磁性材料b(Tc=120℃)を、第3感温磁性材料層24cには、感温磁性材料c(Tc=90℃)を、それぞれ挙げることができる。そして、図6では、第1感温磁性材料層24aに相当する感温磁性材料aのキュリー温度TcをTca、第2感温磁性材料層24bに相当する感温磁性材料bのキュリー温度TcをTcb、第3感温磁性材料層24cに相当する感温磁性材料cのキュリー温度TcをTccとして示している。
One form thereof will be described with reference to FIG. The example shown in FIG. 6 is a diagram corresponding to FIGS. 5 (a) and 5 (b) in the case where the temperature-sensitive
図6(a)に示すように、キュリー温度Tcの異なる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6(b)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。そのために、図5(b)に示したものと比較して、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。また、感温磁性材料の選択にもよるが、磁石使用限界温度Tu3も、感温磁性材料が1層の場合とほぼ同等の温度Tu2近傍まで、高めることも可能となる。 As shown in FIG. 6 (a), by using temperature-sensitive magnetic materials having different Curie temperatures Tc, it is possible to gradually reduce the maximum reverse magnetic field in the high temperature region, and as a result, FIG. 6 (b) shows. As shown, the maximum motor torque in the high temperature range can also be gradually reduced. Therefore, the torque in the high temperature region can be maintained at a high value on average as compared with the one shown in FIG. 5 (b). Further, although it depends on the selection of the temperature-sensitive magnetic material, the magnet use limit temperature Tu3 can be raised to the vicinity of the temperature Tu2, which is almost the same as the case where the temperature-sensitive magnetic material is one layer.
なお、本発明によるモータにおいて、感温磁性材料の層は、3層に限定されるものではなく、2層以上であれば、所期の目的は達成できる。また、2層以上の感温磁性材料の組み合わせ順も、キュリー温度高温材→キュリー温度低温材の順に限定されるものでなく、配置順は任意である。例えば、永久磁石の温度が高くなる場合には、永久磁石側にキュリー温度Tcの低い材料を配置し、ステータ側の温度が高くなりロータ表面の温度が高くなる場合には、ロータ表面側にキュリー温度Tcの低い材料を配置することが好適である。さらに、感温磁性材料の層は、図示のもののように、永久磁石のロータ表面側(ステータ側)のみであってもよく、反対側、すなわちロータの中心軸側のみであってもよい。ロータ表面側のロータの中心軸側の両側に配置しても、同様の作用効果は達成できる。用いる感温磁性材料は、キュリー温度Tcが60℃~200℃の間の材料から適宜選択することが、モータ制御に適している。 In the motor according to the present invention, the layer of the temperature-sensitive magnetic material is not limited to three layers, and any two or more layers can achieve the intended purpose. Further, the combination order of the two or more layers of the temperature-sensitive magnetic material is not limited to the order of the Curie temperature high temperature material → the Curie temperature low temperature material, and the arrangement order is arbitrary. For example, when the temperature of the permanent magnet is high, a material with a low Curie temperature Tc is placed on the permanent magnet side, and when the temperature on the stator side is high and the temperature on the rotor surface is high, the Curie temperature is on the rotor surface side. It is preferable to arrange a material having a low temperature Tc. Further, as shown in the figure, the layer of the temperature-sensitive magnetic material may be only on the rotor surface side (stator side) of the permanent magnet, or may be on the opposite side, that is, only on the central axis side of the rotor. Similar effects can be achieved by arranging them on both sides of the rotor on the surface side of the rotor on the central axis side. It is suitable for motor control that the temperature-sensitive magnetic material to be used is appropriately selected from materials having a Curie temperature Tc of 60 ° C. to 200 ° C.
本実施の形態のモータ1では、感温磁性材料として、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、液体である感温磁性部材を用いるものと比較して、ロータの製造が容易であり、かつ、長期信頼性の高いロータ構造となる。
In the
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もある。 Further, the temperature-sensitive magnetic material is a Mn—Zn-based ferrite magnetic material, and when a temperature-sensitive magnetic material which is an iron-based alloy is used, the Curie temperature is high in the iron-based alloy, and the Curie temperature is greatly changed by changing the composition. It is difficult to obtain a material that changes the Curie temperature, but since a ferrite-based temperature-sensitive magnetic material has a Curie temperature that is relatively suitable for motor control, it is not possible to prepare materials with different Curie temperatures by changing the composition without damaging the magnetism. It's relatively easy. Therefore, there is an advantage that it becomes easy to select a material according to the control temperature.
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Fe2O3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。 Further, when the temperature-sensitive magnetic material is a ferrite magnetic material, the ferrite magnetic material is an insulator because it is an iron oxide material of Fe 2 O 3 , and the direct contact between the magnet and the electromagnetic steel sheet is hindered, and the magnet and the electromagnetic steel sheet are used. The generation of eddy current at the contact interface of the magnet is eliminated, and the effect of eliminating the eddy current loss is also brought about.
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…感温磁性材料積層体、
24a…第1感温磁性材料層、
24b…第2感温磁性材料層、
24c…第3感温磁性材料層。
1 ... motor,
10 ... stator,
11 ... Slot,
12 ... Teeth,
13 ... coil,
20 ... Rotor,
22 (22a, 22b, 22c) ... A rectangular parallelepiped space,
23 ... Permanent magnet,
24 ... Temperature-sensitive magnetic material laminate,
24a ... First temperature-sensitive magnetic material layer,
24b ... Second temperature-sensitive magnetic material layer,
24c ... Third temperature-sensitive magnetic material layer.
Claims (1)
前記ロータは、前記永久磁石の少なくとも前記コイルに面する側に、2層以上の感温磁性材料の層を備え、各層を構成する感温磁性材料はキュリー温度がそれぞれ異なり、
前記2層以上の感温磁性材料の層は、前記ステータの径方向に積層されていることを特徴とするモータ。 A motor consisting of a hollow columnar stator equipped with a coil and a rotor equipped with a permanent magnet.
The rotor is provided with two or more layers of temperature-sensitive magnetic material on at least the side of the permanent magnet facing the coil, and the temperature-sensitive magnetic materials constituting each layer have different Curie temperatures.
A motor characterized in that two or more layers of a temperature-sensitive magnetic material are laminated in the radial direction of the stator .
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