JP7415876B2

JP7415876B2 - モータ

Info

Publication number: JP7415876B2
Application number: JP2020184675A
Authority: JP
Inventors: 大輔一期崎; 恭子中村; 正朗伊東
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2020-11-04
Filing date: 2020-11-04
Publication date: 2024-01-17
Anticipated expiration: 2040-11-04
Also published as: US11682936B2; US20220140675A1; CN114530960A; CN114530960B; JP2022074552A

Description

本発明は、モータに係り、特に、ロータコアに永久磁石を埋め込んだロータと、ロータの外周に位置するステータと、を備えるモータに関する。

従来、この種のモータとしては、永久磁石を、軟磁性材料からなるロータコアに埋め込んだロータと、ロータの外周に位置するステータとを備えるモータが提案されている。このような永久磁石を埋め込んだ磁石埋め込みモータは、リラクタンストルクとマグネットトルクを併用した高効率のモータとして知られている。

たとえば、特許文献１には、ロータコアに形成されたスロットに、磁石を挿入したロータが開示されている。この文献では、モータのトルクを向上させるために、ロータコアに挿入および保持されるスロットの個数を、磁極に対して通常の２倍以上にすることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２－１３６００９号公報

このように、特許文献１の如く、磁石埋め込み型のロータを用いて、モータのトルクを向上させるため、磁極数を増やしたり、使用する永久磁石の量（磁石量）を増やしたりすることが考えられる。しかしながら、磁極数を増やすと、確かにマグネットトルクとリラクタンストルクの双方が向上するが、現状のロータの磁極数を増やすことは、ロータコアの加工が複雑になってしまうので現実的ではない。一方、永久磁石の磁石量を増やすと、マグネットトルクが増加するが、ロータの材料コストが増加してしまう。このような観点から、永久磁石の磁石量を減らすことは、モータのマグネットトルクの低下につながるため、モータのトルク性能を維持することは難しい。

本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ロータコアに埋め込まれた永久磁石の使用量を減らしたとしても、モータのトルクの低下を抑えることができるモータを提供することにある。

前記課題を鑑みて、本発明に係るモータは、複数の永久磁石を、ロータコアに埋め込んだロータと、前記ロータの外周に位置するステータとを備えるモータであって、前記ロータは、前記永久磁石が配置された磁極が、前記ロータの回転軸の周りに複数形成されており、隣り合う前記磁極において、前記各磁極の前記永久磁石は、Ｎ極とＳ極の位置を反転させて配置されており、前記各永久磁石は、Ｎ極側からＳ極側に進むに従って残留磁化が小さくなっていることを特徴とする。

磁石埋め込み型のロータを備えたモータにおいて、モータのトルクは、マグネットトルクとリラクタンストルクとの和で表すことができる。ここで、マグネットトルクは、ロータコアに対する永久磁石の使用量（磁石量）に比例し、リラクタンストルクは、磁石の磁気抵抗に比例する。

本発明では、各永久磁石は、Ｎ極側からＳ極側に進むに従って残留磁化が小さくなっている。すなわち、永久磁石の部位において、残留磁化が大きいとは、Ｎ極側から流れる磁束の密度が高く、Ｓ極側に戻る磁束の密度も高いことであり、残留磁化が小さいとは、Ｎ極側から流れる磁束の密度が低く、Ｓ極側に戻る磁束の密度も低いことである。したがって、「Ｎ極側からＳ極側に進むに従って残留磁化が小さくなっている」ということは、Ｎ極の最表面の残留磁化が、その磁石内において最も大きく、Ｓ極側の最表面の残留磁化が、その磁石内においても最も小さい。したがって、「Ｎ極側からＳ極側に進むに従って残留磁化が小さくなっている」とは、永久磁石のＮ極から流れる磁束の密度に対して、そのＳ極に戻る磁束の密度が小さいことを意味する。このような永久磁石を用いた場合、残留磁化が均一である永久磁石に比べて、Ｓ極側の残留磁化の低下分だけ、マグネットトルクは低下するが、モータの駆動時には、Ｎ極から流れる磁束が、ステータに流れ易くなり、モータのリラクタンストルクが向上する。

以上のことから、これまでのロータに埋め込む永久磁石の使用量を減らしたことにより、マグネットトルクが低下しても、リラクタンストルクを高めることができるため、モータのトルクの低下を抑えることができる。この結果、モータの性能を確保しつつ、モータの材料コストを低減することができる。また、永久磁石の使用量をこれまで通りにしたとしても、モータのトルクを、これまでのものよりも向上させることができる。

ここで、「Ｎ極側からＳ極側に進むに従って残留磁化が小さくなっている」とは、この残留磁化が傾斜的に（線形的に）小さくなってもよく、段階的に小さくなってもよい。このような磁気特性を有する磁石であれば、希土類金属の添加量を調整したり、磁石の体積密度を調整したりすればよく、特に限定されるものではない。より好ましい態様としては、前記永久磁石の体積密度は、Ｎ極側からＳ極側に進むに従って低下している。

ここで、永久磁石の体積密度は、Ｎ極側からＳ極側に進むに従って低下しているため、同じ材料からこのような永久磁石を得ることができる。このため、体積密度の低下分だけ、これまでの磁石の使用量を抑えることができる。また、これまでと同等の磁石量の永久磁石を用いた場合には、永久磁石の厚さを増加することができるため、モータのリラクタンストルクを向上させることができる。

さらに、好ましい態様としては、前記永久磁石は、前記Ｎ極から前記Ｓ極に複数の磁石層が積層されたものであり、前記Ｎ極側の磁石層は、前記Ｓ極側の磁石層に比べて、残留磁化が大きい。

この態様によれば、このような永久磁石は、異種の磁石片を積層することにより、永久磁石を簡単に作製することができとともに、各永久磁石の磁気特性のバラツキを低減することができる。さらに、たとえば、Ｓ極側の磁石層を残留磁化の低い、フェライト系の磁石を用い、Ｎ極側の磁石層を、残留磁化の高い希土類磁石を用いることができる。このようにして、希土類磁石のみを用いた場合に比べて、永久磁石のコストを低減することができる。さらに、永久磁石において、Ｎ極側の磁石層の体積密度が、Ｓ極側の磁石層の体積密度に比べて大きくてもよい。この場合には、永久磁石の組成を変えずに、体積密度の異なる磁石片を積層することにより、簡単に製造することができる。

本発明によれば、ロータに埋め込む永久磁石の使用量を減らしたとして、モータのトルクの低下を抑えることができる。

本実施形態のモータを示す断面図である。図１に示すロータの一部拡大断面図である。図１に示すロータの一部拡大断面図である。実施例１－１～１－３および比較例１－１、１－２、２－１～２－３におけるロータの磁石量比に対する最大トルク比の関係を示したグラフである。実施例１－１～３－２および比較例１－１～１－３におけるロータの磁石量比に対するマグネットトルク比およびリラクタンストルク比の関係を示したグラフである。実施例１－１～３－２および比較例１－１～１－３におけるロータの磁石量比に対するｄ軸インダクタンス比Ｌｄ、ｑ軸インダクタンス比Ｌｑの関係を示したグラフである。厚さ方向に残留磁化を傾斜させた磁石における局所磁束量比を示したグラフである。厚さ方向に残留磁化を傾斜させた磁石を、厚さ方向に削り込みながら、磁石の幅方向の磁束密度を測定したグラフである。

以下に、図１～図２Ｂを参照しながら本発明に係る実施形態について説明する。

図１および図２Ａにおいて、モータ１は、永久磁石３３をロータコア３０に埋め込んだ円柱状のロータ３と、ロータ３の外周に位置するステータ２とを備えるＩＰＭ（ＩｎｔｅｒｉｏｒＰｅｒｍａｎｅｎｔＭａｇｎｅｔ）モータである。ロータ３はステータ２の内周側に径方向に空隙を空けて対向配置され、ステータ２に対して相対的に回転する。モータ１は、たとえば、ケーシング、ベアリング、ブラケット、リード線等をさらに備えているが、これらの構成については、公知の構成を採用可能であるため、図示および説明を省略する。

ステータ２は、ステータコア２０とコイル２５とを備えている。ステータコア２０には、円環状のヨーク部２１と、ヨーク部２１からその径方向内側へ延在した複数のティース部２２、２２、…と、が形成されている。

本実施形態では、ステータコア２０は、回転軸Ｘに沿った方向に、ナノ結晶軟磁性材料の箔材を複数積層させた積層体であってもよく、電磁鋼板を複数積層した積層体であってもよく、必要に応じて樹脂をバインダとし添加した、軟磁性粉末等を圧粉成形した圧粉磁心であってもよい。

コイル２５は、複数のティース部２２、２２、…間の空間に分布巻きまたは集中巻きで巻線を配置することにより形成されている。コイル２５が通電されるとロータ３を回転させるための回転磁界が生じる。

ロータ３は、回転軸Ｘの周りを回転するものであり、ロータコア３０には、回転軸Ｘを軸心とした回転シャフト３２が嵌合されている。ロータ３は、中央部分に軸穴が形成された円柱状のロータコア３０と、軸穴に挿通されロータコア３０に固定された回転シャフト３２と、ロータコア３０に埋設された複数の永久磁石３３と、を備えている。本実施形態では、ロータコア３０は、軟磁性材料からなり、ロータ３の軸方向Ｘに沿って、複数の電磁鋼板が積層された積層体であってもよい。

ロータ３は、後述する永久磁石３３を配置することにより、回転軸Ｘの周りに複数の磁極３Ａ、３Ａを形成している。磁極３Ａは偶数個設けられており、本実施形態では、ロータ３は４個の扇状の磁極３Ａを有している。この場合、扇形の各磁極３Ａは、９０度の中心角度を有している。

このように、磁極３Ａの数は、偶数個であり、隣り合う磁極３Ａ、３Ａは、磁極対として構成されており、この条件を満たすのであれば、磁極数は、特に限定されるものではない。本実施形態では、隣り合う磁極３Ａにおいて、永久磁石３３は、Ｎ極とＳ極の位置を反転させて配置させている。具体的には、各磁極３Ａを構成するロータコア３０には、スロット３５が形成されている。各磁極３Ａにおいて、スロット３５の位置および大きさは同じであり、隣接する磁極３Ａにおいて、永久磁石３３の磁化方向が反対となるように、永久磁石３３が挿入されている。

本実施形態では、各磁極３Ａに、１つの永久磁石３３を設けたが、隣接する磁極３Ａ同士の永久磁石３３の極を反転させることを前提に、各磁極３Ａの永久磁石３３の配置状態が同じならば、各磁極３Ａの永久磁石の個数は特に限定されるものではない。このようなモータ１では、コイル２５と永久磁石３３の吸引力／反発力に起因するマグネットトルクに加えてリラクタンストルクを活用することができる。

また、ロータコア３０は、軟磁性材料からなり、たとえば電磁鋼板を積層したもの、軟磁性粉末を圧粉成形した後、焼結したもの等を挙げることができる。なお、電磁鋼板同士は、絶縁性を有した樹脂を介して接合されていてもよい。ロータコア３０を構成する軟磁性材料としては、例えば、Ｆｅ、Ｃｏ及びＮｉからなる群から選択される少なくとも１種の磁性金属と、Ｂ、Ｃ、Ｐ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ及びＷからなる群から選択される少なくとも１種の非磁性金属とから構成されるものが挙げられるが、これらに限定されるものではない。

軟磁性材料の代表的な材料として、例えば、ＦｅＣｏ系合金（例えばＦｅＣｏ、ＦｅＣｏＶなど）、ＦｅＮｉ系合金（例えばＦｅＮｉ、ＦｅＮｉＭｏ、ＦｅＮｉＣｒ、ＦｅＮｉＳｉなど）、ＦｅＡｌ系合金又はＦｅＳｉ系合金（例えばＦｅＡｌ、ＦｅＡｌＳｉ、ＦｅＡｌＳｉＣｒ、ＦｅＡｌＳｉＴｉＲｕ、ＦｅＡｌＯなど）、ＦｅＴａ系合金（例えばＦｅＴａ、ＦｅＴａＣ、ＦｅＴａＮなど）及びＦｅＺｒ系合金（例えばＦｅＺｒＮなど）を挙げることができるが、これらに限定されるものではない。

ロータコア３０の電磁鋼板同士の間には、絶縁性を有する樹脂等の接着層（不図示）が形成されていてもよい。接着層を構成する樹脂が熱硬化性樹脂である場合、ロータコア３０は、電磁鋼板を積層し、これを未硬化の熱硬化性樹脂に浸漬した後、積層体を引き上げて、熱硬化性樹脂を熱硬化することにより、得ることができる。このような熱硬化性樹脂としては、たとえば、エポキシ系樹脂、ポリイミド系樹脂、ポリアミドイミド系樹脂、またはアクリル系樹脂等が挙げられる。

ロータコア３０は、ステータ２側からロータコア３０内の永久磁石３３に入り込むリラクタンストルクに寄与する磁束や、永久磁石３３からステータ２側に流れ出すマグネットトルクに寄与する磁束の磁路として機能するものである。

回転シャフト３２は、ロータコア３０の軸穴に挿入され、ロータコア３０に固定されている。永久磁石３３は、ロータコア３０に形成されたスロット３５に挿入されており、熱硬化性樹脂などの樹脂により、スロット３５内に固定されている。

永久磁石３３は、ロータコア３０の周方向に配置されている。永久磁石３３の形状は、矩形平板状、矩形柱状等、任意の形状を適宜選択することができる。永久磁石３３としては、ネオジムと鉄とホウ素を主成分とするネオジム磁石、サマリウムとコバルトを主成分とするサマリウムコバルト磁石等の希土類磁石を挙げることができる。永久磁石３３としては、これら以外にフェライト磁石、アルニコ磁石等であってもよい。

本実施形態では、図２Ａおよび図２Ｂに示すように、永久磁石３３は、その厚さ方向に沿って、Ｎ極側からＳ極側に進むに従って残留磁化が小さくなっている。具体的には、永久磁石３３のＳ極側の残留磁束密度は、Ｎ極側の残留磁束密度よりも低い。さらに、永久磁石３３のＮ極の最表面３３ｎの残留磁化が、永久磁石３３内において最も大きく、永久磁石３３のＳ極側の最表面３３ｓの残留磁化が、永久磁石３３内においても最も小さい。

本実施形態では、図２Ａに示すように、永久磁石３３の体積密度は、Ｎ極側からＳ極側に進むに従って低下している。具体的には、永久磁石３３は、多孔質体であり、Ｎ極側の空隙率は、Ｓ極側の空隙率よりも高い。

このような永久磁石３３は、永久磁石３３の組成となる合金を粉砕した磁性粉を、成形型の雌型に充填し、充填された磁性粉を加熱しながら、成形型の雌型に向かって成形型の雄型を押し込むことにより、成形する。このとき、雄型を押し込む際に、雄型と接触する側において、磁性粉の圧縮率が高くなり、これとは反対側の磁性粉の圧縮率が低くなっているタイミングで、成形体の成形を完了させる。その後、成形体を熱処理し、圧縮率が高い側がＮ極側となり、圧縮率が低い側がＳ極側となるように、熱処理した成形体を着磁させる。これにより、図２Ａに示す永久磁石３３を得ることができる。

さらに、図２Ｂに示すように、永久磁石３３は、Ｎ極からＳ極に複数の磁石層３３Ａ、３３Ｂ、３３Ｃが積層されたものである。本実施形態では、磁石層３３Ａ、３３Ｂ、３３Ｃの３層であるが、永久磁石３３の層数は限定されるものではない。本実施形態では、Ｎ極側の磁石層３３Ａ（３３Ｂ）は、Ｓ極側の磁石層３３Ｂ（３３Ｃ）に比べて、残留磁化が大きい。

ここで、本実施形態では、磁石層３３Ａの残留磁化を、磁石層３３Ｂの残留磁化よりも大きくするには、たとえば、磁石層３３Ａとして残留磁化が比較的に大きい組成の磁石片と、磁石層３３Ｂとして、先に示す磁石片よりも残留磁化が小さい組成の磁石片とを、積層する。同様に、磁石層３３Ｂの残留磁化を、磁石層３３Ｃの残留磁化よりも大きくするには、磁石層３３Ｃとして、磁石層３３Ｂの磁石片よりも残留磁化が小さい組成の磁石片をさらに、積層する。なお、磁石片を積層する際には、接着剤等を介してこれらを固定してもよい。

たとえば、永久磁石３３を製造する場合には、磁石層３３Ａをネオジム磁石とし、磁石層３３Ｂをサマリウムコバルト磁石とし、磁石層３３Ｃをフェライト磁石にすればよい。異種の磁石片を積層することにより、永久磁石を作製することができる。たとえば、残留磁化が小さい磁石片は、安価で比較的に入手し易いため、残留磁化が高い希土類磁石のみの永久磁石に比べて、永久磁石３３を安価に製造することができる。

本実施形態では、磁石層３３Ａの残留磁化を、磁石層３３Ｂの残留磁化よりも大きくするには、たとえば、磁石層３３Ａとして、体積密度が高い磁石片と、磁石層３３Ｂとして、先に示す磁石片よりも体積密度が低い磁石片とを、積層してもよい。同様に、磁石層３３Ｂの残留磁化を、磁石層３３Ｃの残留磁化よりも大きくするには、磁石層３３Ｃとして、磁石層３３Ｂの磁石片よりも体積密度が低い組成の磁石片をさらに、積層してもよい。このようにして、永久磁石３３の体積密度を、Ｎ極側からＳ極側に進むに従って段階的に低下させることができる。ここで、これまでと同等の磁石量を用いる場合には、体積密度の低い磁石片を用いる分、永久磁石３３の厚みが厚くなるため、その厚みの増加分に応じて永久磁石３３の磁気抵抗が大きくなる。これにより、モータ１のトルクを向上させることができる。

本実施形態によれば、磁石埋め込み型のロータを備えたモータ１において、モータ１のトルクは、マグネットトルクとリラクタンストルクとの和で示すことができる。ここで、マグネットトルクは、ロータコア３０に対する永久磁石（材料）の使用量等に比例し、リラクタンストルクは、永久磁石３３の磁気抵抗に比例する。

本実施形態では、図２Ａ、図２Ｂに示すように、各永久磁石３３は、Ｎ極側からＳ極側に進むに従って残留磁化が小さくなっている。永久磁石３３のＮ極からの磁束は、ロータコア３０の軟磁性材料を介して、ステータ２側に流れ易くなる。また、永久磁石３３は、これまでの残留磁化が均一な永久磁石と同程度の磁石量で、これまでの永久磁石３３の厚さよりも厚くすることができるため、磁気抵抗を高めることができる。以上のことから、モータ１のマグネットトルクは低下するものの、モータ１のリラクタンストルクが向上する。

以上のことから、これまでのロータ３（ロータコア３０）に埋め込む永久磁石３３の使用量を減らすことにより、マグネットトルクが低下しても、リラクタンストルクを高めることができるため、モータ１のトルクの低下を抑えることができる。この結果、モータ１の性能を確保しつつ、モータ１の材料コストを低減することができる。また、永久磁石の使用量をこれまで通りにしたとしても、モータ１のトルクを、これまでのものよりも向上させることができる。

以下に、本発明の実施例を説明するが、本発明は、この実施例に限定されるものではない。

［実施例１－１～１－３］
図１に示す解析モデルの変形例として、磁極数が６個のロータのモデルを作成した。実施例１－１～１－３における永久磁石は、磁石厚さが、３．５ｍｍであり、Ｎ極側からＳ極側に進むに従って残留磁化が小さくように、残留磁化の異なる３層の磁石層を積層したものを想定している。

表１に示す相対密度は、後述する比較例１－１における永久磁石の体積密度を１００体積％としたときの値である。ｔ１磁化比は、永久磁石のＮ極側の磁石層の磁束密度の比であり、ｔ２磁化比は、中央の磁石層の磁束密度の比であり、ｔ３磁化比は、Ｓ極側の磁石層の磁束密度の比である。したがって、ｔ１磁化比、ｔ２磁化比、およびｔ３磁化比の順に、その値が大きい。表１に示す磁束密度の比は、後述する比較例１－１における永久磁石の磁束密度を１としたときの値である。なお、表１に示す、磁石量比は、後述する比較例１－１における永久磁石の磁石量比を１００％としたときの値である。

［比較例１－１～１－３］
表１に示すように、比較例１－１～１－３では、それぞれの永久磁石の残留磁化は同じであり、各磁石のｔ１磁化～ｔ３磁化も同じであり、磁石厚さが異なる。したがって、磁石厚さに応じて、磁石量比が異なる。

［比較例２－１～２－３］
表１に示すように、比較例２－１～２－３は、実施例１－１～１－３に対応し、これらと相違する点は、永久磁石として、Ｓ極側からＮ極側に進むに従って残留磁化が小さくなるように、残留磁化の異なる３層の磁石層を積層したものを想定している。したがって、ｔ３磁化比、ｔ２磁化比、およびｔ１磁化比の順に、その値が大きい。

実施例１－１～１－３および比較例１－１～２－３におけるモータの最大トルクを解析した。この結果を表１および図３に示す。図３は、実施例１－１～１－３および比較例１－１、１－２、２－１～２－３に係るロータの磁石量比に対する最大トルク比を示したグラフである。

図３に示すように、モータの磁石量比が増加するに従って、モータの最大トルクは増加する傾向にある。しかしながら、比較例１－１、比較例１－２から推定される磁石量比と最大トルク比の関係を示す破線（推定線）に対して、実施例１－１～１－３のプロットは上側にあり（図中の●および実線（推定線）を参照）、比較例２－１～２－３のプロットは、下側にある（図中の◇および一点鎖線（推定線）を参照）。

この結果から、実施例１－１～１－３の如く、Ｎ極側からＳ極側に残留磁化が小さい永久磁石を用いた場合には、同程度の磁石量を用いたとしても、モータの最大トルクが向上することがわかった。

ここで、モータのトルクＴｔは、以下の式（１）に示すように、マグネットトルクＴｍと、リラクタンストルクＴｒとの和で表すことができる。

Ｔｔ=Ｔｍ+Ｔｒ（１）

さらに、マグネットトルクＴｍは、以下の式（２）に示すように、対極数Ｐ_ｎ、磁束量Ψ_ａ、およびｑ軸電流ｉ_ｑで表すことができる。すなわち、マグネットトルクＴｍは、磁束量Ψ_ａに依存するため、磁石量の増加は、マグネットトルクＴｍに繋がる。

Ｔｍ＝Ｐ_ｎ・Ψ_ａ・ｉ_ｑ（２）

一方、リラクタンストルクＴｒは、以下の式（３）に示すように、対極数Ｐ_ｎ、ｄ軸インダクタンスＬ_ｄ、ｑ軸インダクタンスＬ_ｑ、ｄ軸電流ｉ_ｄ、ｄ軸電流ｉ_ｄ、およびｑ軸電流ｉ_ｑで、表すことができる。ここで、リラクタンストルクＴｒは、ｄ軸インダクタンスＬ_ｄ、ｑ軸インダクタンスＬ_ｑとの差に依存し、ｄ軸インダクタンスＬ_ｄの増加およびｑ軸インダクタンスＬ_ｑの減少は、リラクタンストルクＴｒの上昇に繋がる。

Ｔｒ＝Ｐ_ｎ・（Ｌ_ｄ－Ｌ_ｑ）・ｉ_ｄ・ｉ_ｑ（３）

このような点から、実施例２－１～２－３、３－１、３－２のモデルをさらに作成し、実施例１－１～３－２、および、比較例１－１～１－３に関して、マグネットトルク比Ｔｍ、リラクタンストルク比Ｔｒ、ｄ軸インダクタンスＬｄ、ｑ軸インダクタンスＬｑを算出した。以下にその詳細を説明する。

［実施例２－１～２－３］
表２に示すように、実施例１－１～１－３と同様にして、解析モデルを作成した。実施例２－１～２－３は、上述した実施例１－１～１－３に対応しており、永久磁石の厚さが異なる点が相違する。実施例２－１～２－３は、永久磁石の相対密度および磁石量比が、対応する実施例１－１～１－３よりも、磁石厚みの減少割合分、低くなっている。

［実施例３－１、３－２］
表２に示すように、実施例１－１～１－３と同様にして、解析モデルを作成した。実施例３－１、３－２は、上述した実施例１－１、１－２に対応しており、永久磁石は、２つの磁石層で構成され、実施例１－１、１－２のＮ極側の磁石層と、中央の磁石層とで構成されている。永久磁石の磁石量比が、実施例３－１、３－２よりも、磁石厚みの減少割合分、低くなっている。

実施例１－１～３－３および比較例１－１～１－３におけるマグネットトルク比（Ｔｍ比）、リラクタンストルク比（Ｔｒ比）、ｄ軸インダクタンス比（Ｌｄ比）、ｑ軸インダクタンス比（Ｌｑ比）を算出した。なお、これらの比は、比較例１－１の結果を１とした場合の比率である。この結果を図４、５に示す。図４は、実施例１－１～３－２および比較例１－１～１－３におけるロータの磁石量比に対するマグネットトルク比、リラクタンストルク比の関係を示したグラフである。図５は、実施例１－１～３－２および比較例１－１～１－３におけるロータの磁石量比に対するｄ軸インダクタンス比、ｑ軸インダクタンス比の関係を示したグラフである。

図４および式（２）で説明したように示すように、モータの磁石量比が増加するに従って、モータのマグネットトルク比（Ｔｍ比）が増加する傾向にある。ここで、図４の上側のグラフに示す実施例１－１～１－３、２－１～２－３、３－１、３－２から推定される各推定線（図中の実線）を参照すると、比較例１－１～１－３から推定される推定線（図中の破線）に比べて、同じ磁石量に対してマグネットトルク比は小さくなっている。

しかしながら、図４の下側のグラフに示す実施例１－１～１－３、２－１～２－３、３－１、３－２から推定される各推定線（図中の実線）を参照すると、比較例１－１～１－３から推定される推定線（図中の破線）に比べて、リラクタンストルク比は、大きくなっている。

このような点と、図３に示す結果とから、Ｎ極側からＳ極側に進むに従って残留磁化が段階的に小さくなっている永久磁石を用いれば、マグネットトルクは低下するものの、リラクタンストルクが向上するため、モータのトルクが向上したと考えられる。

さらに、より詳細に解析をすると、図５のグラフから、実施例１－１～１－３、２－１～２－３、３－１、３－２は、比較例１－１～１－３から推定される推定線（図中の破線）に比べて、ｄ軸インダクタンス比が減少しているが、ｑ軸インダクタンス比は、略同じである。Ｎ極側からＳ極側に進むに従って残留磁化が段階的に小さくなっている永久磁石を用いれば、ｑ軸インダクタンスは維持されるため、リラクタンストルクに有効な軟磁性の磁気回路は阻害せず、ｄ軸インダクタンスが減少し、磁気抵抗のみを増加することができるといえる。これは、同じ磁石量の永久磁石の場合、実施例の磁石は、これまでの比較例の磁石に比べて、磁石厚さが厚くなり、磁気向上が向上するからであると考えられる。このような結果から、同じ磁石量であっても、Ｎ極側からＳ極側に進むに従って残留磁化が小さくなっている永久磁石を用いれば、残留磁化が均一な永久磁石を用いた場合に比べて、モータのトルクを向上させることができるといえる。

さらに、発明者らは、永久磁石の組成となる合金を粉砕した磁性粉を、成形型の雌型に充填し、充填された磁性粉を加熱しながら、成形型の雌型に向かって成形型の雄型を押し込むことにより、成形した。このとき、雄型を押し込む際に、雄型と接触する側において、磁性粉の圧縮率が高くなり、これとは反対側の磁性粉の圧縮率が低くなっているタイミングで、成形体の成形を完了した。その後、成形体を熱処理し、圧縮率が高い側がＮ極側となり、圧縮率が低い側がＳ極側となるように、熱処理した成形体を着磁させて、永久磁石を作成した。

得られた永久磁石に対して、Ｎ極側の最表面の永久磁石の磁束を測定し、１ｍｍずつ、永久磁石の厚さが薄くなるように削り込みながら、３ｍｍまで、Ｎ極側から、フラックスメータを用いて、表面の磁束を測定した。その結果を、図６および図７に示す。図６は、厚さ方向に残留磁化を傾斜させた磁石における局所磁束量比を示したグラフである。図７は、厚さ方向に残留磁化を傾斜させた磁石を、厚さ方向に削り込みながら、磁石の幅方向の磁束密度を測定したグラフである。

図６から、明らかなように、Ｎ極側からＳ極側に進むに従って残留磁化が傾斜的に小さくなっていることがわかり、残留磁化（磁束密度）を最大で６０％程度まで、変化させることができると考えられる。したがって、上に示す表１のｔ１磁化比およびｔ３磁化比の関係と、この測定結果から、Ｎ極の表面の残留磁化（磁束密度）を１とすると、Ｓ極側の残留磁化（磁束密度）は、０．６０～０．９３が好ましく、より好ましくは、０．６０～７９であることが好ましいと言える。さらに、図７に示すように、磁石の幅方向においても、Ｎ極側からＳ極側に進むに従って残留磁化が傾斜的に小さくなっていることがわかった。

以上、本発明の一実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。

１：モータ、２：ステータ、３：ロータ、３Ａ：磁極、３０：ロータコア、３３：永久磁石、３３Ａ～３３Ｂ：磁石層、Ｘ：回転軸

Claims

複数の永久磁石を、ロータコアに埋め込んだロータと、前記ロータの外周に位置するステータとを備えるモータであって、
前記ロータは、前記永久磁石が配置された磁極が、前記ロータの回転軸の周りに複数形成されており、
隣り合う前記磁極において、前記各磁極の前記永久磁石は、Ｎ極とＳ極の位置を反転させて配置されており、
前記各永久磁石は、Ｎ極側からＳ極側に進むに従って残留磁化が小さくなっており、
前記永久磁石の体積密度は、Ｎ極側からＳ極側に進むに従って低下していることを特徴とするモータ。
複数の永久磁石を、ロータコアに埋め込んだロータと、前記ロータの外周に位置するステータとを備えるモータであって、
前記ロータは、前記永久磁石が配置された磁極が、前記ロータの回転軸の周りに複数形成されており、
隣り合う前記磁極において、前記各磁極の前記永久磁石は、Ｎ極とＳ極の位置を反転させて配置されており、
前記各永久磁石は、Ｎ極側からＳ極側に進むに従って残留磁化が小さくなっており、
前記永久磁石は、前記Ｎ極から前記Ｓ極に複数の磁石層が積層されたものであり、前記Ｎ極側の磁石層は、前記Ｓ極側の磁石層に比べて、残留磁化が大きく、
前記永久磁石において、前記Ｎ極側の磁石層の体積密度は、前記Ｓ極側の磁石層の体積密度に比べて大きいことを特徴とするモータ。