WO2012133404A1 - Ｉｐｍモータの回転子及びそれを用いたｉｐｍモータ - Google Patents

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智永 岩津
幸男 片桐
藤原　進
森川　茂
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    • Y02T10/64—Electric machine technologies in electromobility

Definitions

  • the present invention relates to a rotor of a permanent magnet embedded motor (hereinafter referred to as “IPM motor”) used in, for example, an electric vehicle, a hybrid vehicle, and a machine tool, and an IPM motor using the rotor.
  • IPM motor a permanent magnet embedded motor
  • IPM motor uses an expensive permanent magnet, but the cost is high, but the efficiency is higher than that of the induction motor. For this reason, IPM motors are widely used in, for example, drive motors and power generation motors for hybrid vehicles and electric vehicles, home appliances, motors for various machine tools and industrial machines, and the like.
  • the iron core of the IPM motor is divided into a stator and a rotor. Since an AC magnetic field is directly applied to the stator-side iron core through the windings, to increase efficiency, the stator-side iron core has a high magnetic permeability and at the same time increases the volume resistivity, thereby reducing the iron loss. Is required to be reduced. For this reason, an electromagnetic steel sheet in which soft magnetic properties are improved by adding Si to an extremely low carbon steel is used for the iron core on the stator side.
  • the rotor-side iron core plays a role of increasing the magnetic flux density mainly as a yoke.
  • the rotor side iron core is slightly affected by the AC magnetic field generated from the stator side, but the effect is limited. Therefore, from the viewpoint of characteristics, it is not necessary to use an electromagnetic steel sheet advantageous for iron loss characteristics for the iron core on the rotor side.
  • the electromagnetic steel sheet is used only for the stator, the product yield of the electromagnetic steel sheet is lowered and the manufacturing cost of the motor is increased. Therefore, the same electromagnetic steel sheet as that for the stator side is usually used for the iron core on the rotor side. .
  • the IPM motor When an IPM motor is mounted on an automobile, the IPM motor is also required to be reduced in size because of the need for reducing the size and weight of the automobile. In that case, the rotational speed of the rotor can be increased in order to obtain a motor output (torque) equal to or higher than that of the conventional one even if the size is reduced. In general, the efficiency of the motor becomes better as the rotational speed of the rotor is increased.
  • an induced electromotive force is generated in the stator winding due to the rotation of the embedded permanent magnet. This induced electromotive force increases as the rotational speed increases. When the induced electromotive force exceeds the input voltage, the motor cannot rotate.
  • Patent Document 1 when operating in a high-speed rotation region, a magnetic flux in a direction that cancels the magnetic flux of the permanent magnet is generated from the stator side to weaken the induced electromotive force.
  • Field control is performed. This field-weakening control allows operation in a high-speed rotation range, but uses electric power to cancel out the magnetic flux of the permanent magnet, so the motor torque decreases.
  • Patent Document 1 it is attempted to reduce the amount of power used for field-weakening control by devising the shape of the magnet.
  • a material having a high yield strength is suitable as a material for the rotor.
  • the yield strength after magnetic annealing is about 400 N / mm 2 .
  • JP 2000-278900 A JP 2009-153230 A JP 2009-46738 A
  • the inventors of the present application have developed IPM motors using various steel plates as materials while developing rotor steel plates for high-speed rotation, and as a result of evaluating the performance of the motors, the coercive force of the material steel plates is adjusted.
  • a large output torque can be obtained in a high-speed rotation range in which field-weakening control is performed.
  • the rotor can be rotated to a higher rotational speed.
  • Patent Document 1 attempts to reduce the amount of electric power used for field-weakening control by devising the shape of the magnet, but does not consider the point of adjusting the coercive force of the material steel plate. Also, Patent Documents 2 and 3 do not consider the point of adjusting the coercive force of the material steel plate. That is, in the conventional configuration, since the point of adjusting the coercive force of the material steel plate is not taken into consideration, the output torque in the high rotation range is small, and accordingly, the maximum rotation number is also low.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide an IPM motor rotor and an IPM that can increase the output torque in a high rotation range and increase the maximum rotation speed. It is to provide a motor.
  • the rotor of the IPM motor according to the present invention is formed by laminating material steel plates having a magnetic flux density B8000 value of 1.65 T or more when the magnetic field strength is 8000 A / m and a coercive force of 100 A / m or more.
  • the IPM motor according to the present invention incorporates the rotor described above.
  • the material steel plates having a magnetic flux density B8000 value of 1.65 T or more and a coercive force of 100 A / m or more when the magnetic field strength is 8000 A / m are laminated. Since the rotor core formed as a result is used, the output torque in the high rotation range can be increased, and the maximum rotational speed can be increased. Further, according to the IPM motor of the present invention, since the above-described rotor is used, similarly, the output torque in the high rotation range can be further increased and the maximum rotation speed can be further increased.
  • the rotor of the IPM motor of the present invention is formed by laminating material steel plates having a yield strength of 750 N / mm 2 or more, the centrifugal force that acts on the permanent magnet even when the rotor is rotated at a high speed. The rotor will not be damaged by the force. Therefore, the width of the bridge portion provided around the permanent magnet insertion hole can be reduced. If the bridge width can be narrowed, the leakage magnetic flux can be effectively reduced, which increases the degree of freedom in designing the rotor. Further, since the permanent magnet may be reduced in size, the cost of the motor can be greatly reduced.
  • FIG. 1 is a front view showing a rotor of an IPM motor according to an embodiment of the present invention.
  • the rotor 1 of the IPM motor has a rotor core 10 (rotor body) formed by laminating a steel plate for rotor (material steel plate) described later, and a rotor core 10.
  • a plurality of permanent magnet insertion holes 11 provided in the rotor core 10 at intervals from each other along the circumferential direction, and permanent magnets 12 embedded in the permanent magnet insertion holes 11 are included.
  • An IPM motor is configured by arranging a stator (not shown) on the outer periphery of the rotor 1.
  • Each permanent magnet insertion hole 11 has first and second insertion holes 11a and 11b arranged in a V shape so that the rotation center 10a side of the rotor core 10 is the top, and the first and second insertion holes 11a and 11b at the top. 2 includes a bridge 11c that partitions the insertion holes 11a and 11b.
  • the permanent magnet 12 is embedded in the first and second insertion holes 11a and 11b, respectively. That is, two permanent magnets 12 are embedded in the permanent magnet insertion hole 11.
  • FIG. 2 is a front view showing a rotor 2 of an IPM motor different from the rotor of the IPM motor of FIG.
  • symbol is attached
  • the rotor 2 includes a rotor core 10 and a plurality of permanent magnet insertion holes 20 provided in the rotor core 10 at intervals from each other along the circumferential direction of the rotor core 10.
  • a permanent magnet 21 embedded in each permanent magnet insertion hole 20 is included.
  • the rotor core 10 is formed by laminating material steel plates to be described later, like the rotor core 10 of the rotor 1 of FIG.
  • the permanent magnet insertion holes 20 are arranged at 90 ° intervals along the circumferential direction of the rotor core 10. Each permanent magnet insertion hole 20 is formed in a straight line, and one permanent magnet 21 is embedded in each permanent magnet insertion hole 20.
  • the magnetic flux in the direction to cancel the magnetic flux of the permanent magnet 12 is applied from the stator side.
  • Field weakening control is performed to suppress the induced electromotive force.
  • the rated rotational speed of such an IPM motor is 7500 rpm when the rotor 1 of FIG. 1 is used, and 10,000 rpm when the rotor 2 of FIG. 2 is used.
  • the above-described field weakening control is performed in a high-speed rotation range exceeding these rotation speeds.
  • the rotor core 10 is formed by laminating raw steel plates having a magnetic flux density B8000 value of 1.65 T or more and a coercive force of 100 A / m or more when the magnetic field strength is 8000 A / m.
  • the value of the magnetic flux density B8000 is set to 1.65 T or more because the inductance at the position where the permanent magnet 12 is inserted (d-axis) and the position where it is not inserted (q-axis) when the rotor 1 rotates at high speed. This is because the reluctance torque based on the difference between the values of the steel plates is effectively utilized, and the torque performance equal to or higher than that of the conventional steel plate is exhibited particularly in the high-speed rotation region.
  • the coercive force is set to 100 A / m or more as follows.
  • the IPM motor is affected by the magnetic saturation of the iron core material, for example, "Tokyo Gakugei University Faculty of Engineering Bulletin, Vol. 27 No. 1 (2004), P126-132". It is known that inductance decreases and reluctance torque decreases. That is, a steel sheet with a small coercive force, such as a magnetic steel sheet, easily causes magnetic saturation, so that the reluctance torque cannot be increased immediately even if the input current is increased, whereas a steel sheet with a large coercive force is used as the material steel sheet.
  • the material steel plate of the rotor core 10 preferably has a yield strength of 750 N / mm 2 or more. By setting the yield strength in such a range, the rotor core 10 can withstand the centrifugal force acting on the permanent magnet 12 during high-speed rotation, and the rotor is not damaged even in a high-speed rotation range.
  • the rotor core 10 of the present invention is a high performance steel plate that is capable of obtaining high speed rotation and high torque because the material steel plate is a weak steel plate that is excellent in field weakness controllability, so that a decrease in torque is suppressed even in a high speed rotation range.
  • a motor can be provided. Thereby, it becomes possible to apply to various uses including automobiles and home appliances.
  • a bridge 11c provided in each permanent magnet insertion hole 11 of the rotor 1 in FIG. 1 is for ensuring the strength around each permanent magnet insertion hole 11.
  • the width of the bridge 11c (the width of the bridge 11c along the separating direction of the first and second insertion holes 11a and 11b) can be reduced, thereby reducing leakage magnetic flux. it can. If the strength of the rotor core is increased and the width of the bridge 11c is reduced and the rotor is not damaged and the leakage magnetic flux can be reduced, the design freedom of the rotor is increased. Further, since the permanent magnet 12 may be downsized by reducing the leakage magnetic flux, the cost of the motor can be greatly reduced.
  • the bridge width may be designed in consideration of both high torque due to high speed rotation and miniaturization of the permanent magnet.
  • the upper limit of the yield strength of the raw steel plate of the rotor core 10 is 2000 N / mm 2 . This is because a material exhibiting a yield strength exceeding 2000 N / mm 2 cannot obtain a magnetic flux density B8000 value of 1.65 T or more when the magnetic field strength is 8000 A / m.
  • the present inventors manufactured the raw material steel plate of the rotor core 10 by the following manufacturing method A by using the steel which has a component composition shown in Table 1 as a raw material.
  • Manufacturing method A Steel having the component composition shown in Table 1 is melted in vacuum, these continuous cast pieces are heated to 1250 ° C., finish-rolled at 950 ° C. and wound at 560 ° C., and a hot-rolled steel sheet having a thickness of 1.8 mm is obtained. Obtained. After pickling these hot-rolled steel plates, a cold-rolled steel strip having a thickness of 0.35 mm was obtained by one cold rolling (final rolling ratio: about 81%). The obtained cold-rolled steel strip was passed through a continuous furnace set at 400 ° C.
  • an insulating film having a thickness of about 1 ⁇ m and having a semi-organic composition containing Cr-based oxide and Mg-based oxide was formed on both surfaces of the steel sheet.
  • a JIS No. 5 test piece was cut out from the obtained steel strip and subjected to a tensile test. Moreover, a ring-shaped test piece having an inner diameter of 33 mm and an outer diameter of 45 mm was produced by punching and subjected to magnetization measurement. Table 2 shows the yield strength, tensile strength, yield ratio (YR), magnetic flux density (B 8000 ) and coercive force (Hc) when the strength of the magnetic field is 8000 A / m.
  • the present inventors manufactured the raw steel plate of the rotor 10 by the following manufacturing method B using the steel which has a component composition shown in Table 1 as a raw material.
  • Manufacturing method B Steel having the component composition shown in Table 1 is melted, these continuous cast pieces are heated to 1250 ° C., finish-rolled at 850 ° C. and wound at 560 ° C. to obtain a hot-rolled steel plate having a thickness of 1.8 mm. It was.
  • the hot-rolled steel sheet was pickled and cold-rolled to obtain a cold-rolled steel sheet having a thickness of 0.35 mm.
  • the obtained cold-rolled steel sheet was heated to 900 ° C., passed through a Pb—Bi alloy bath set at 250 ° C., cooled to 250 ° C.
  • the present inventors manufactured the raw material steel plate of the rotor 10 by the following manufacturing method C using the steel which has a component composition shown in Table 1 as a raw material.
  • Manufacturing method C Among the steels having the composition shown in Table 1, No. 1, 2, 3, 4, and 5 continuous cast slabs were heated to 1250 ° C. in the same manner as in production method A, finished and rolled at 950 ° C., wound at 560 ° C., and hot-rolled steel sheet having a thickness of 1.8 mm Got. After pickling these hot-rolled steel plates, a cold-rolled steel strip having a thickness of 0.35 mm was obtained by one cold rolling (final rolling ratio: about 81%).
  • the obtained cold-rolled steel strip was subjected to recrystallization annealing for 60 seconds through a continuous furnace set at 800 ° C.
  • maintains 120 s or more in the continuous furnace set to 450 degreeC was performed. Thereafter, light cold rolling with an elongation of 0.3% was performed, and an insulating film having a thickness of about 1 ⁇ m having a semi-organic composition containing Cr-based oxide and Mg-based oxide was formed on both surfaces of the steel sheet.
  • a rotor made of a commercially available electrical steel sheet (35A300) was also produced at the same time and subjected to the same evaluation. Moreover, only one stator was manufactured, and the manufactured rotor was rearranged for performance evaluation as a motor. The maximum output of each motor is 4.5 kw. In this performance evaluation, field weakening control was performed at 10,000 rpm or more. In addition, it was as follows when the mechanical characteristic and magnetic characteristic by the method similar to the raw material steel plate of this invention were evaluated about the commercially available electromagnetic steel plate (35A300). Plate thickness 0.35mm Yield strength 381 N / mm 2 Tensile strength 511 N / mm 2 Saturation magnetic flux density B8000 1.76T Coercive force 75A / m
  • the specifications of the manufactured rotor and stator are as follows. ⁇ Specifications of the first rotor Outer diameter: 80.1mm, shaft length 50mm -Number of stacked sheets: 0.35mm / 140 sheets-Center and outer bridge widths: 1.00mm -Permanent magnet: Neodymium magnet (NEOMAX-38VH), 9.0mm width x 3.0mm thickness x 50mm length, total 16 embeds ⁇ Specifications of stator ⁇ Gap length: 0.5mm ⁇ Outer diameter: 138.0 mm, yoke thickness: 10 mm, length: 50 mm -Iron core material: electromagnetic steel plate (35A300), plate thickness 0.35mm -Number of stacked layers: 140-Winding method: distributed winding
  • Table 5 shows the maximum torque and efficiency of the motor at 15000 rpm when each first rotor was incorporated.
  • FIG. 4 shows the relationship between the maximum torque at 15000 rpm and the coercive force
  • FIG. 5 shows the relationship between the efficiency at 15000 rpm and the coercive force.
  • field weakening control was performed at 10,000 rpm or more.
  • the steel plates (No. 1 steel and No. 2 steel manufactured by the manufacturing method C) and the coercive force Hc of less than 100 A / m are rotors.
  • the torque at 15000 rpm showed a low value of less than 2.0 N ⁇ m, and the efficiency also showed a low value of less than 60%.
  • a high torque exceeding 2.0 N ⁇ m and a good efficiency of 60% or more can be obtained.
  • the coercive force is 300 A / m or more
  • a higher torque of 2.5 N ⁇ m or more and a high efficiency of 70% or more can be obtained.
  • the No. 7 steel produced by the manufacturing method B having a high coercive force but having a low magnetic flux density B8000 of 1.61 T has low torque and efficiency due to the low magnetic flux density.
  • the inventors of the present invention have obtained the No. manufactured by the manufacturing method B. No. 4 steel (with a yield strength exceeding 750 N / mm 2 ) and No. 4 steel.
  • a second rotor shown in FIG. 6 was further produced using 6 steels (those with the highest yield strength) (hereinafter referred to as “ultra high strength steel plates”).
  • the second rotor of FIG. 6 reduces the leakage flux by narrowing the bridge width by half compared to the first rotor of FIG. 3, and the size of the permanent magnet is reduced from 9.0 mm to 8.0 mm. (About 11% downsizing). Further, field weakening control was performed at 10,000 rpm or more.
  • the specifications of the second rotor are as follows. In addition, what was used for evaluation of said magnetic flux density etc. was utilized about the stator. ⁇ Specifications of the second rotor Outer diameter: 80.1mm, shaft length 50mm -Number of stacked sheets: 0.35 mm / 140 sheets-Center bridge and outer bridge width: 0.5 mm -Permanent magnet: Neodymium magnet (NEOMAX-38VH), 8.0mm width x 3.0mm thickness x 50mm length, total 16 embedded
  • first and second rotors were produced using electromagnetic steel sheets. No. manufactured by electrical steel sheet and manufacturing method B Table 6 shows the maximum torque and efficiency from 5000 rpm to 15000 rpm of an IPM motor using a rotor made of 6 steel.
  • the No. of production method B having a yield strength of 1300 N / mm 2 or more without breaking up to 42000 rpm.
  • the first rotor did not break even at 50000 rpm.
  • the use of the ultra-high strength steel sheet of the present invention for the rotor material compared to the electromagnetic steel sheet can avoid breaking up to a high rotational speed.
  • the outer bridge portion is a beam portion in which the permanent magnet insertion hole is close to the outer peripheral portion of the rotor.
  • the inventors produced a rotor 2 (third rotor) shown in FIG. 2 using an ultra-high-strength steel plate and used it for a motor performance evaluation test.
  • a rotor made of electromagnetic steel sheet was also produced at the same time and subjected to the same evaluation.
  • the maximum output of the IPM motor 2 is 3.7 kw.
  • the specifications of the manufactured rotor and stator are as follows. ⁇ Specifications of the third rotor Outer diameter: 80.0mm, shaft length 75mm -Number of stacked sheets: 0.35 mm / 210 sheets-Bridge width: 3.0 mm -Permanent magnet: Neodymium magnet (NEOMAX-38VH), 40.0mm width x 2.0mm thickness x 75mm length, embedded in total 4 ⁇ Stator specifications-Gap length: 0.5mm ⁇ Outer diameter: 160.0 mm, yoke thickness: 17 mm, length: 75 mm -Iron core material: electromagnetic steel plate (35A300), plate thickness 0.35mm -Number of layers: 210-Winding method: distributed winding
  • Table 8 shows the maximum torque and efficiency of the IPM motor using each rotor from 5000 rpm to 12000 rpm.
  • the field weakening control was performed at a rotational speed exceeding 10,000 rpm.

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  • Power Engineering (AREA)
  • Iron Core Of Rotating Electric Machines (AREA)
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Abstract

　磁界の強さが８０００Ａ／ｍである時の磁束密度Ｂ８０００の値が１．６５Ｔ以上であるとともに、保磁力が１００Ａ／ｍ以上の素材鋼板が積層されることにより形成された回転子鉄心を用いる。

Description

ＩＰＭモータの回転子及びそれを用いたＩＰＭモータ
　本発明は、例えば電気自動車、ハイブリッド自動車、及び工作機械等に使用される永久磁石埋め込み型モータ（以下「ＩＰＭモータ」と記す）の回転子、及びそれを用いたＩＰＭモータに関する。
　一般に、ＩＰＭモータは、高価な永久磁石を使用するためコストは高くなるものの、誘導電動機と比べて効率が高い。このため、ＩＰＭモータは、例えば、ハイブリッド自動車及び電気自動車の駆動用モータ及び発電用モータ、家電製品、並びに各種の工作機械や産業機械用のモータ等に広く使用されている。
　ＩＰＭモータの鉄心は、固定子と回転子とに分けられる。固定子側の鉄心には巻線を通じて交流磁界が直接付与されるので、効率を高くするために、固定子側の鉄心には、高透磁率であると同時に体積抵抗率を高めて、鉄損を低減できることが要求される。このため、固定子側の鉄心には、極低炭素鋼にＳｉを添加して軟磁気特性を改善した電磁鋼板が用いられる。
　一方、回転子側の鉄心には永久磁石が埋め込まれるため、回転子側の鉄心は、主にヨークとして磁束密度を高める役割を担う。回転子側の鉄心は固定子側から発生する交流磁界の影響を僅かに受けるが、その影響は限定的である。従って、特性の観点から見ると、鉄損特性に有利な電磁鋼板を回転子側の鉄心に使用する必要はない。しかし、固定子のみに電磁鋼板を使用すると電磁鋼板の製品歩留りが低下して、モータの製造コストが高くなるので、通常は、回転子側の鉄心にも固定子側と同じ電磁鋼板が用いられる。
　ＩＰＭモータが自動車に搭載される場合、自動車の小型軽量化のニーズからＩＰＭモータにも小型化が求められる。その場合、小型化しても従来と同等以上のモータ出力（トルク）を得るために、回転子の回転数が高められる。一般に、モータの効率は回転子の回転速度を高くするほど良好となる。しかし、ＩＰＭモータでは、埋め込まれた永久磁石の回転により、固定子巻線に誘導起電力が発生する。この誘導起電力は、回転速度の上昇に伴い増加する。そして、誘導起電力が入力電圧を超えたところで、モータは回転できなくなる。
　このためＩＰＭモータでは、例えば特許文献１等に示されるように、高速回転域で運転する際に、永久磁石の磁束を打ち消す方向の磁束を固定子側から発生させ、誘導起電力を抑制する弱め界磁制御が行われている。この弱め界磁制御により、高速回転域での運転が可能となる反面、永久磁石の磁束を打ち消すために電力を使用するため、モータトルクは減少する。なお、特許文献１では、磁石の形状に工夫を施すことにより、弱め界磁制御に使用する電力量を少なくすることが図られている。
　一方、ＩＰＭモータを小型化しても従来と同等以上のトルクを得るため回転子の回転数を高めると、回転子に埋め込まれた永久磁石に作用する遠心力が増大して回転子の破損にいたる問題がある。破損を起こさないためには、回転子の素材として降伏強度が高い材料が好適である。例えば３％程度のＳｉを含有する無方向性電磁鋼板（３５Ａ３００）の場合、磁性焼鈍後の降伏強度は約４００Ｎ／ｍｍ2程度である。このため、回転子の直径が８０ｍｍ以上の比較的大型のＩＰＭモータの場合、回転子の構造によって異なるものの、２００００ｒｐｍ程度が破損を起こさない回転速度の限界と考えられている。これまでも、電磁鋼板をベースに鉄心の降伏強度を高くする検討が種々行われてきたが、それでも高々７８０Ｎ／ｍｍ2程度である。
　このように、ＩＰＭモータの小型化にあたり高速回転化してトルクを得ようとする場合、従来の電磁鋼板を素材とする回転子鉄心では、高速回転域では弱め界磁制御を行ってもトルクが減少してしまう問題と、永久磁石に作用する遠心力により回転子が破損する問題とがあり、高速回転化に限界があった。
　高速回転化による回転子鉄心の破損を抑制する方法として、例えば下記の特許文献２等では、回転子鉄心の素材として軟質かつ焼入れ性を有する材料を用い、永久磁石の挿入孔が近接したブリッヂ部やその近傍部分のみに部分焼入れを施すことによって強度を上昇させることが提案されている。また、例えば下記の特許文献３等では、回転子鉄心用素材として、電磁鋼板ではなく、高強度かつ高飽和磁束密度である材料を用いることも提案されている。
特開２０００－２７８９００号公報 特開２００９－１５３２３０号公報 特開２００９－４６７３８号公報
　本願発明者らは、高速回転用の回転子用鋼板の開発を行う中で、種々の鋼板を素材としてＩＰＭモータを試作し、モータの性能評価を行った結果、素材鋼板の保磁力を調節することにより、弱め界磁制御を行う高速回転域で大きな出力トルクが得られることを見出した。より大きな出力トルクが得られることで、より高い回転数まで回転子を回転できる。
　特許文献１では、磁石の形状に工夫を施すことにより、弱め界磁制御に使用する電力量を少なくすることが図られているが、素材鋼板の保磁力を調節する点については考慮されていない。また、特許文献２，３においても、素材鋼板の保磁力を調節する点については考慮されていない。すなわち、従来構成では、素材鋼板の保磁力を調節する点について考慮されていないため、高回転域での出力トルクが小さくなっており、それに伴い最大回転数も低くなっている。
　本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、高回転域での出力トルクをより大きくでき、最大回転数をより高くできるＩＰＭモータの回転子及びＩＰＭモータを提供することである。
　本発明に係るＩＰＭモータの回転子は、磁界の強さが８０００Ａ／ｍである時の磁束密度Ｂ８０００の値が１．６５Ｔ以上であるとともに、保磁力が１００Ａ／ｍ以上の素材鋼板が積層されることにより形成された回転子鉄心と、回転子鉄心の周方向に互いに間隔をおいて回転子鉄心に設けられた複数の永久磁石挿入孔と、各永久磁石挿入孔に埋め込まれた永久磁石とを備える。
　また、本発明に係るＩＰＭモータは、前述の回転子が組み込まれている。
　本発明のＩＰＭモータの回転子によれば、磁界の強さが８０００Ａ／ｍである時の磁束密度Ｂ８０００の値が１．６５Ｔ以上であるとともに、保磁力が１００Ａ／ｍ以上の素材鋼板が積層されることにより形成された回転子鉄心が用いられているので、高回転域での出力トルクをより大きくでき、最大回転数をより高くできる。
　また、本発明のＩＰＭモータによれば、前述の回転子を用いているので、同様に、高回転域での出力トルクをより大きくでき、最大回転数をより高くできる。
　さらに、本発明のＩＰＭモータの回転子は、７５０Ｎ／ｍｍ2以上の降伏強度を有する素材鋼板が積層されることにより形成されているので、回転子を高速回転しても永久磁石に作用する遠心力により回転子が破損することがない。そのため、永久磁石挿入孔の周囲に設けられるブリッヂ部の幅を狭くすることができる。ブリッヂ幅を狭くできれば漏れ磁束を効果的に低減できるので、回転子の設計自由度が高まる。また、永久磁石を小型化してもよいので、モータのコストを大幅に低減できる。
本発明の実施の形態によるＩＰＭモータの回転子を示す正面図である。 図１の回転子とは別のＩＰＭモータの回転子を示す正面図である。 素材鋼板の評価に用いた第１回転子を示す説明図である。 素材鋼板を用いたＩＰＭモータでの１５０００ｒｐｍにおける最大トルクと保磁力との関係を示すグラフである。 素材鋼板を用いたＩＰＭモータでの１５０００ｒｐｍにおける効率と保磁力との関係を示すグラフである。 素材鋼板の評価に用いた第２回転子を示す説明図である。
　以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。
　図１は、本発明の実施の形態によるＩＰＭモータの回転子を示す正面図である。図に示すように、ＩＰＭモータの回転子１には、後述の回転子用鋼板（素材鋼板）が積層されることにより形成された回転子鉄心１０（回転子本体）と、回転子鉄心１０の周方向に沿って互いに間隔を置いて回転子鉄心１０に設けられた複数の永久磁石挿入孔１１と、各永久磁石挿入孔１１に埋め込まれた永久磁石１２とが含まれている。なお、回転子１の外周に図示しない固定子が配置されることで、ＩＰＭモータが構成される。
　各永久磁石挿入孔１１には、回転子鉄心１０の回転中心１０ａ側を頂部とするようにＶ字状に配置された第１及び第２挿入孔１１ａ，１１ｂと、その頂部において第１及び第２挿入孔１１ａ，１１ｂ間を仕切るブリッヂ１１ｃとが含まれている。永久磁石１２は、第１及び第２挿入孔１１ａ，１１ｂ内にそれぞれ埋め込まれている。すなわち、永久磁石挿入孔１１に２つの永久磁石１２が埋め込まれている。
　次に、図２は、図１のＩＰＭモータの回転子とは別のＩＰＭモータの回転子２を示す正面図である。なお、図１の回転子１に含まれる構成と同じ又は同様の構成には同じ符号を付して説明する。図２に示すように、回転子２には、回転子鉄心１０と、回転子鉄心１０の周方向に沿って互いに間隔を置いて回転子鉄心１０に設けられ複数の永久磁石挿入孔２０と、各永久磁石挿入孔２０に埋め込まれた永久磁石２１とが含まれている。回転子鉄心１０は、図１の回転子１の回転子鉄心１０と同様に、後述の素材鋼板が積層されることで形成されたものである。
　各永久磁石挿入孔２０は、回転子鉄心１０の周方向に沿って９０°間隔で配置されている。各永久磁石挿入孔２０はそれぞれ直線状に形成されており、各永久磁石挿入孔２０に対して１つの永久磁石２１が埋め込まれている。
　図１及び図２に示すような回転子１，２を用いたＩＰＭモータでは、周知のように、高速回転域で運転する際に、永久磁石１２の磁束を打ち消す方向の磁束を固定子側から発生させ、誘導起電力を抑制する弱め界磁制御が行われる。このようなＩＰＭモータの定格回転速度は、図１の回転子１を用いた場合には７５００ｒｐｍとされ、図２の回転子２を用いた場合には１００００ｒｐｍとされる。上述の弱め界磁制御は、これらの回転速度を超える高速回転域で行われる。
　回転子鉄心１０は、磁界の強さが８０００Ａ／ｍである時の磁束密度Ｂ８０００の値が１．６５Ｔ以上であるとともに、保磁力が１００Ａ／ｍ以上の素材鋼板が積層されることで形成される。
　磁束密度Ｂ８０００の値が１．６５Ｔ以上とされているのは、回転子１として高速回転する際に永久磁石１２を挿入した位置（ｄ軸）と挿入していない位置（ｑ軸）でのインダクタンスの値の差に基づくリラクタンストルクを有効に活用し、とくに高速回転領域において従来の鋼板と同等以上のトルク性能を発揮するためである。
　保磁力が１００Ａ／ｍ以上とされているのは、以下の通りである。一般に、モータの入力電流を高くすると、出力トルクは増加する。しかしながら、例えば「東京学芸大学工学部紀要、Ｖｏｌ．２７　Ｎｏ．１（２００４）、Ｐ１２６～１３２」のように、ＩＰＭモータでは鉄心材の磁気飽和の影響を受けるため、入力電流が高くなると、ｑ軸インダクタンスが低下して、リラクタンストルクが低下することが知られている。すなわち、電磁鋼板などの保磁力の小さな鋼板では、容易に磁気飽和を生じるため、入力電流を増加させても直ぐにリラクタンストルクが上昇できなくなるのに対して、保磁力が大きな鋼板を素材鋼板とした場合には、磁気飽和が生じにくいため、比較的高い入力電流値までリラクタンストルクの低下が抑制される。その結果として、出力トルク及び効率を向上できるものと考えられる。本願発明者らが種々の鋼板を素材としてＩＰＭモータを試作し、モータの性能評価を行ったところ、１００Ａ／ｍ以上の保磁力を有する素材鋼板を用いて回転子鉄心１０を形成することで、高速回転時に行う弱め界磁制御の消費電力を低減でき、出力トルクを向上できることを見出した。但し、保磁力が大きくなると、磁束密度が低くなる傾向が認められ、磁束密度Ｂ８０００の値が１．６５Ｔ未満となる場合には十分なリラクタンストルクが得られなくなる。
　回転子鉄心１０の素材鋼板は、降伏強度が７５０Ｎ／ｍｍ2以上であることが好ましい。降伏強度をこのような範囲とすることで、回転子鉄心１０が高速回転時に永久磁石１２に作用する遠心力に耐えることができ、高速回転域においても回転子が破損することがない。しかも本発明の回転子鉄心１０は、その素材鋼板が弱め界磁制御性に優れた鋼板であることにより高速回転域においてもトルクの低下が抑制されるため、高速回転と高トルクが得られる高性能のモータを提供できる。これにより、自動車・家電をはじめ各種用途への適用が可能となる。
　図１の回転子１の各永久磁石挿入孔１１に設けられたブリッヂ１１ｃは、各永久磁石挿入孔１１周辺の強度を確保するためのものである。素材鋼板自体に十分な強度を持たせることでブリッヂ１１ｃの幅（第１及び第２挿入孔１１ａ，１１ｂの離間方向に沿うブリッヂ１１ｃの幅）を小さくすることができ、それにより漏れ磁束を少なくできる。回転子鉄心の強度を高めることでブリッヂ１１ｃの幅を小さくしても回転子が破損せず漏れ磁束も低減できるのであれば、回転子の設計自由度が高まる。また漏れ磁束の低減により永久磁石１２を小型化してもよいので、モータのコストを大幅に低減できる。また永久磁石１２を小さくせずに出力トルクの向上を図ることも可能となる。高速回転が可能になることによる高トルク化と永久磁石の小型化の両者を勘案してブリッヂ幅を設計してもよい。
　なお、回転子鉄心１０の素材鋼板の降伏強度の上限は、２０００Ｎ／ｍｍ2である。これは、２０００Ｎ／ｍｍ2を超える降伏強度を呈する材料では、磁界の強さが８０００Ａ／ｍである時の磁束密度Ｂ８０００の値が１．６５Ｔ以上得られないためである。
　本発明者らは、表１に示す成分組成を有する鋼を素材として、下記の製造方法Ａにより回転子鉄心１０の素材鋼板を製造した。
製造方法Ａ
　表１に示す成分組成を有する鋼を真空溶解し、これらの連鋳片を１２５０℃に加熱し、９５０℃で仕上げ圧延して５６０℃で巻取り、板厚１．８ｍｍの熱間圧延鋼板を得た。これらの熱間圧延鋼板を酸洗した後、一回の冷間圧延にて板厚０．３５ｍｍの冷間圧延鋼帯を得た（最終圧延率：約８１％）。得られた冷間圧延鋼帯を４００℃に設定した連続炉に６０秒通板してテンションアニーリング処理（引張張力１００Ｎ／ｍｍ2）を施した。また、その後、Ｃｒ系酸化物及びＭｇ系酸化物を含有する半有機組成の約１μｍの厚さの絶縁皮膜を鋼板の両面に形成した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
製造方法Ａで製造した素材鋼板の評価
　得られた鋼帯からＪＩＳ５号試験片を切り出し、引張試験に供した。また、内径３３ｍｍ及び外形４５ｍｍのリング状の試験片を打抜きにより作製し、磁化測定に供した。各サンプルの降伏強さ、引張強さ、降伏比（ＹＲ）、磁界の強さが８０００Ａ／ｍのときの磁束密度（Ｂ8000）と保磁力（Ｈｃ）を表２に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　また、本発明者らは、表１に示す成分組成を有する鋼を素材として、下記の製造方法Ｂにより回転子１０の素材鋼板を製造した。
製造方法Ｂ
　表１に示す成分組成を有する鋼を溶解して、これらの連鋳片を１２５０℃に加熱し、８５０℃で仕上げ圧延して５６０℃で巻取り、板厚１．８ｍｍの熱延鋼板を得た。この熱延鋼板を酸洗後、冷間圧延して板厚０．３５ｍｍの冷延鋼板を得た。得られた冷延鋼板を、９００℃まで加熱し，２５０℃に設定したＰｂ－Ｂｉ合金浴中へ通板して、１００℃／ｓの平均冷却速度で２５０℃まで冷却し、引き続き４００℃に設定した電気炉中に６０ｓ保持しつつ、プレステンパーを施した。その後、Ｃｒ系酸化物およびＭｇ系酸化物を含有する半有機組成の約１μｍの厚さの絶縁皮膜を鋼板の両面に塗布した。
製造方法Ｂで製造した素材鋼板の評価
　製造方法Ｂで製造した素材鋼板に対して、上述の製造方法Ａで製造した素材鋼板と同様の試験を行った。その結果を表３に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　さらに、本発明者らは、表１に示す成分組成を有する鋼を素材として、下記の製造方法Ｃにより回転子１０の素材鋼板を製造した。
製造方法Ｃ
　表１に示す成分組成を有する鋼の内、Ｎｏ．１，２，３，４，５の連鋳片を製造方法Ａと同様にして１２５０℃に加熱し、９５０℃で仕上げ圧延して５６０℃で巻取り、板厚１．８ｍｍの熱間圧延鋼板を得た。これらの熱間圧延鋼板を酸洗した後、一回の冷間圧延にて板厚０．３５ｍｍの冷間圧延鋼帯を得た（最終圧延率：約８１％）。得られた冷間圧延鋼帯を８００℃に設定した連続炉に６０秒通板する再結晶焼鈍を施した。なお、冷却は８℃／ｓで５５０℃まで冷却後、４５０℃に設定した連続炉中に１２０ｓ以上保持する過時効処理を施した。その後、０．３％の伸び率の軽冷延を行い、更にＣｒ系酸化物及びＭｇ系酸化物を含有する半有機組成の約１μｍの厚さの絶縁皮膜を鋼板の両面に形成した。
製造方法Ｃで製造した素材鋼板の評価
　製造方法Ｃで製造した素材鋼板に対して、上述の製造方法Ａ，Ｂで製造した素材鋼板と同様の試験を行った。その結果を表４に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
ＩＰＭモータとしての評価（磁束密度と保磁力について）
　表５に示すように、製造方法Ａで製造したＮｏ．１鋼、Ｎｏ．３鋼、Ｎｏ．５鋼およびＮｏ．９鋼、製造方法Ｂで製造したＮｏ．１鋼、Ｎｏ．２鋼、Ｎｏ．４鋼、Ｎｏ．６鋼およびＮｏ．７鋼、更には製造方法Ｃで製造したＮｏ．１鋼、Ｎｏ．２鋼、Ｎｏ．４鋼およびＮｏ．５鋼について、図３に示す８極（４極対）構造の第１回転子を打抜き加工により作製し、負荷トルクを付与したモータ性能評価試験に供した。なお、比較のため市販の電磁鋼板（３５Ａ３００）を素材とした回転子も同時に作製し、同様の評価に供した。また、固定子は１ヶのみ製造し、製造した回転子を組替えてモータとしての性能評価に供した。モータの最大出力はいずれも４．５ｋｗである。また、この性能評価では、１００００ｒｐｍ以上で弱め界磁制御を行った。
なお、市販の電磁鋼板（３５Ａ３００）について、本発明の素材鋼板と同様の方法による機械的特性と磁気的特性を評価したところ、次のとおりであった。
板厚　０．３５ｍｍ
降伏強さ　３８１Ｎ／ｍｍ2
引張強さ　５１１Ｎ／ｍｍ2
飽和磁束密度Ｂ８０００　１．７６Ｔ
保磁力　７５Ａ／ｍ
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
　作製した回転子および固定子の仕様は以下の通りである。
　◎第１回転子の仕様
　　外径：８０．１ｍｍ、軸長５０ｍｍ
　　・積層枚数：０．３５ｍｍ/１４０枚
　　・センターブリッヂ、アウターブリッヂの幅：１．００ｍｍ
　　・永久磁石：ネオジム磁石（ＮＥＯＭＡＸ-３８ＶＨ）、９.０ｍｍ幅×
                ３．０ｍｍ厚×５０ｍｍ長さ、合計１６ヶ埋め込み
　◎固定子の仕様
　　・ギャップ長：０．５ｍｍ
　　・外径：１３８．０ｍｍ、ヨーク厚：１０ｍｍ、長さ：５０ｍｍ
　　・鉄心素材：電磁鋼板（３５Ａ３００）、板厚０．３５ｍｍ
　　・積層枚数：１４０枚
　　・巻線方式：分布巻き
　それぞれの第１回転子を組込んだときの１５０００ｒｐｍにおけるモータの最大トルクと効率を表５に合わせて示した。また、図４に１５０００ｒｐｍにおける最大トルクと保磁力との関係を示すとともに、図５に１５０００ｒｐｍにおける効率と保磁力との関係を示す。また、この性能評価でも、１００００ｒｐｍ以上で弱め界磁制御を行った。
　表５、図４、図５の結果から明らかなように、保磁力Ｈｃが１００Ａ／ｍ未満の鋼板（電磁鋼板、並びに製造方法Ｃで製造したＮｏ．１鋼及びＮｏ．２鋼）を回転子鉄心の素材とした回転子を組込んだモータでは、１５０００ｒｐｍにおけるトルクが２．０Ｎ・ｍ未満の低い値を示し、効率も６０％未満の低い値を示した。これに対して、本願発明範囲の磁束密度と保磁力を有する素材鋼板を回転子鉄心としたモータでは２．０Ｎ・ｍを超える高いトルクと６０％以上の良好な効率が得られる。とくに保磁力が３００Ａ／ｍ以上の領域では、２．５Ｎ・ｍ以上と更に高いトルクと７０％以上の高い効率が得られる。
　一方、高保磁力を有するものの磁束密度Ｂ８０００が１．６１Ｔと低い製造方法ＢによるＮｏ.７鋼では、磁束密度が低いことに起因してトルク及び効率が低くなる。
ＩＰＭモータとしての評価（ブリッヂ幅と強度について）
　本発明者らは、製造方法Ｂで製造したＮｏ．４鋼（降伏強度が７５０Ｎ／ｍｍ2を超えるもの）及びＮｏ．６鋼（最も降伏強度が高かったもの）（以下、これらを超高強度鋼板と呼ぶ）を用いて、図６に示す第２回転子をさらに作製した。図６の第２回転子は、図３の第１回転子と比べてブリッジ幅を１／２に狭くして漏れ磁束を低減させ、永久磁石の大きさを幅９．０ｍｍから幅８．０ｍｍとした（約１１％小型化）したものである。また、１００００ｒｐｍ以上で弱め界磁制御を行った。
　第２回転子の仕様は以下の通りである。なお、固定子については上記の磁束密度等の評価に用いたものを利用した。
　◎第２回転子の仕様
　　外径：８０．１ｍｍ、軸長５０ｍｍ
　　・積層枚数：０．３５ｍｍ/１４０枚
　　・センターブリッヂ、アウターブリッヂの幅：０．５ｍｍ
　　・永久磁石：ネオジム磁石（ＮＥＯＭＡＸ-３８ＶＨ）、８.０ｍｍ幅×
                ３．０ｍｍ厚×５０ｍｍ長さ、合計１６ヶ埋め込み
　また、比較のため、電磁鋼板を用いて第１及び第２回転子を作製した。電磁鋼板と製造方法Ｂで製造したＮｏ．６鋼を素材とした回転子を用いたＩＰＭモータの５０００ｒｐｍ～１５０００ｒｐｍまでの最大トルクおよび効率を表６に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000006
　表６に示すように、超高強度鋼板を回転子鉄心の素材に用いると、第２回転子のようにブリッヂの幅を狭くしても、また、永久磁石を小型化したにも拘わらず、電磁鋼板を鉄心素材とした回転子と同等以上のモータ性能を有するロータが得られることがわかる。特に１００００ｒｐｍを超える高速回転域では、保磁力に起因する弱め界磁性の向上により高トルクの良好な特性が得られることがわかる。
　また、上記試験に用いた回転子を固定子から取り外して鋼製カバーを取り付けた状態とし、変速機を介して負荷モータへ接続して負荷モータ側から駆動させることによって、５００００ｒｐｍまでの過回転試験を行い回転子が遠心力により破壊する回転速度を調べた。その結果を表７に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000007
　表７に示すように、回転子素材として電磁鋼板を用い、ブリッヂ幅が１．０ｍｍである第１回転子では、３０４５０ｒｐｍで回転子が破壊した。これに対して、降伏強度が７５０Ｎ／ｍｍ2以上の超高強度鋼板である製造方法ＢのＮｏ．４鋼を回転子素材として用いた場合、第１回転子では４３２００ｒｐまで破断せず、ブリッヂ幅を０．５ｍｍに狭くした第２回転子でも電磁鋼板の第１回転子と同等以上の３６０００ｒｐｍまで破断しなかった。降伏強度が９５０Ｎ／ｍｍ2以上である製造方法ＡのＮｏ．６鋼では、ブリッヂ幅が０．５ｍｍの第２回転子の場合、４２０００ｒｐｍまで破断せず、降伏強度が１３００Ｎ／ｍｍ2以上である製造方法ＢのＮｏ．６鋼では、第１回転子の場合、５００００ｒｐｍでも破断しなかった。このように、電磁鋼板に比べて本発明の超高強度鋼板を回転子素材に用いることで、高い回転数まで破断を回避できることが確認できた。
　なお、破壊した回転子を調べたところ、どの回転子もインナーブリッヂ部とアウターブリッヂ部がともに塑性変形しているか破断しており、永久磁石が脱落していた。アウターブリッヂ部とは、永久磁石挿入孔が回転子外周部と接近している梁部である。
ＩＰＭモータとしての評価（図２の回転子を用いた場合）
　本発明者らは、超高強度鋼板を用いて図２に示す回転子２（第３回転子）を作製し、モータ性能評価試験に供した。また、電磁鋼板を素材とした回転子も同時に作製し、同様の評価に供した。なお、ＩＰＭモータ２の最大出力は３．７ｋｗである。
　作製した回転子および固定子の仕様は以下の通りである。
　◎第３回転子の仕様
　　外径：８０．０ｍｍ、軸長７５ｍｍ
　　・積層枚数：０．３５ｍｍ/２１０枚
　　・ブリッジの幅：３．０ｍｍ
　　・永久磁石：ネオジム磁石（ＮＥＯＭＡＸ-３８ＶＨ）、４０.０ｍｍ幅
                ×２.０ｍｍ厚×７５ｍｍ長さ、合計４ヶ埋め込み
　◎固定子の仕様
　　・ギャップ長：０．５ｍｍ
　　・外径：１６０．０ｍｍ、ヨーク厚：１７ｍｍ、長さ：７５ｍｍ
　　・鉄心素材：電磁鋼板（３５Ａ３００）、板厚０．３５ｍｍ
　　・積層枚数：２１０枚
　　・巻線方式：分布巻き
　それぞれの回転子を用いたＩＰＭモータの５０００ｒｐｍ～１２０００ｒｐｍまでの最大トルクおよび効率を表８に示す。なお、１００００ｒｐｍを超える回転数で弱め界磁制御を行った。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000008
　表８に示すように、電磁鋼板を用いた場合、弱め界磁制御を行っても１２０００ｒｐｍでは回転できなくなった。これに対して、保磁力の大きなＮｏ．６鋼を素材とした回転子では回転可能であり、より高速回転域までの駆動が可能であることがわかる。

Claims (6)

  1. 　磁界の強さが８０００Ａ／ｍである時の磁束密度Ｂ８０００の値が１．６５Ｔ以上であるとともに、保磁力が１００Ａ／ｍ以上の素材鋼板が積層されることにより形成された回転子鉄心と、
    　前記回転子鉄心の周方向に互いに間隔をおいて前記回転子鉄心に設けられた複数の永久磁石挿入孔と、
    　各永久磁石挿入孔に埋め込まれた永久磁石と
    　を備えている、ＩＰＭモータの回転子。
  2. 　前記素材鋼板の保磁力は３００Ａ／ｍ以上である、請求項１記載のＩＰＭモータの回転子。
  3. 　前記素材鋼板の降伏強度は７５０Ｎ／ｍｍ2以上である、請求項１又は請求項２に記載のＩＰＭモータの回転子。
  4. 前記素材鋼板の降伏強度は９５０Ｎ／ｍｍ2以上である、請求項１又は請求項２に記載のＩＰＭモータの回転子。
  5. 　前記素材鋼板の降伏強度は１３００Ｎ／ｍｍ2以上である、請求項１又は請求項２に記載のＩＰＭモータの回転子。
  6. 　請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の回転子が組み込まれている、ＩＰＭモータ。
PCT/JP2012/057927 2011-03-31 2012-03-27 Ｉｐｍモータの回転子及びそれを用いたｉｐｍモータ WO2012133404A1 (ja)

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