(57)【要約】【課題】ステータコアから傾斜機能性永久磁石にかかる磁界を分散し、傾斜機能性永久磁石における磁界の傾斜を緩和することができるモータを提供する。【解決手段】コイルを備えるステータコアと、前記ステータコアの中空部に回転可能に設けられるロータコアとを含むモータであって、前記ロータコアが、矩形型の傾斜機能性永久磁石及び軟磁性材料を備え、前記傾斜機能性永久磁石が、前記ロータコアの空間内の軸側に配置されており、前記軟磁性材料が、前記ロータコアの空間内の前記ステータコア側に前記傾斜機能性永久磁石と接触するように配置されており、前記軟磁性材料が、前記傾斜機能性永久磁石と接する面のロータコア周方向の幅において前記傾斜機能性永久磁石以上の寸法を有し、前記軟磁性材料が、ロータコア半径方向に厚みを有し、前記軟磁性材料が、前記ステータコアと前記傾斜機能性永久磁石との間の部材よりも高い飽和磁束密度を有することを特徴とするモータに関する。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
コイルを備えるステータコアと、前記ステータコアの中空部に回転可能に設けられるロータコアとを含むモータであって、
前記ロータコアが、矩形型の傾斜機能性永久磁石及び軟磁性材料を備え、
前記傾斜機能性永久磁石が、前記ロータコアの空間内の軸側に配置されており、
前記軟磁性材料が、前記ロータコアの空間内の前記ステータコア側に前記傾斜機能性永久磁石と接触するように配置されており、
前記軟磁性材料が、前記傾斜機能性永久磁石と接する面のロータコア周方向の幅において前記傾斜機能性永久磁石以上の寸法を有し、
前記軟磁性材料が、ロータコア半径方向に厚みを有し、
前記軟磁性材料が、前記ステータコアと前記傾斜機能性永久磁石との間の部材よりも高い飽和磁束密度を有することを特徴とするモータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、永久磁石を使用するモータに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、電気自動車（ＥＶ）やハイブリッド車（ＨＶ）に搭載される内磁型モータ（ＩＰＭモータ）では、保磁力が磁石角部ほど高く傾斜した磁石が使用されている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、Ｒ１ａＲ２ｂＴｃＡｄＦｅＯｆＭｇ組成（Ｒ１はＳｃ及びＹを含み、Ｔｂ及びＤｙを除く希土類元素から選ばれる１種又は２種以上、Ｒ２はＴｂ及びＤｙから選ばれる１種又は２種、ＴはＦｅ及びＣｏから選ばれる１種又は２種、ＡはＢ及びＣから選ばれる１種又は２種、ＭはＡｌ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｉｎ、Ｓｉ、Ｐ、Ｓ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｄ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗの中から選ばれる１種又は２種以上、ａ〜ｇは合金の原子％で、１０≦ａ＋ｂ≦１５、３≦ｄ≦１５、０．０１≦ｅ≦４、０．０４≦ｆ≦４、０．０１≦ｇ≦１１、残部がｃ）を有する焼結磁石体であって、該焼結磁石体中の（Ｒ１，Ｒ２）２Ｔ１４Ａ正方晶からなる主相結晶粒の周りを取り囲む結晶粒界部において、結晶粒界に含まれるＲ２／（Ｒ１＋Ｒ２）の濃度が主相結晶粒中のＲ２／（Ｒ１＋Ｒ２）濃度より平均的に濃く、しかも、Ｒ２が磁石体中心より磁石体表面に向かって平均的にその含有濃度が濃くなるように分布し、かつ、結晶粒界部の磁石体表面より少なくとも２０μｍの深さ領域にまで、結晶粒界部に（Ｒ１，Ｒ２）の酸フッ化物が存在し、磁石体表層部の保磁力が内部より高いことを特徴とする傾斜機能性希土類永久磁石が記載されている。
【０００４】
さらに、特許文献２には、ロータ鉄心と、複数の永久磁石とを備え、前記ロータ鉄心には複数の永久磁石装着溝が設けられ、前記複数の永久磁石はそれぞれ、対応する前記永久磁石装着溝に挿入され、少なくとも一つの前記永久磁石の径方向外側表面と、対応する永久磁石装着溝の径方向外側の画定壁面との間には、少なくとも一つの軟磁性板が設けられており、前記軟磁性板の飽和磁束密度及び熱伝導率は、前記複数の永久磁石の飽和磁束密度及び熱伝導率より大きく、かつ、前記軟磁性板の電気抵抗率及びヤング率は、前記複数の永久磁石の電気抵抗率及びヤング率よりも小さい、永久磁石への応力集中を緩和しつつ永久磁石両端部の熱減磁を抑制するための永久磁石埋込型回転電機のロータが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−３０３４３５号公報
【特許文献２】特開２０１６−５３５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来、自動車用ＩＰＭモータのコア材料には、飽和磁束密度が２．０Ｔ付近の電磁鋼板等が用いられてきたが、ロータ内では、磁石周辺のブリッジ付近が狭小のため、磁束飽和が起きやすい。この磁束飽和によってステータコイルから発生した磁界は、磁石内を透過することで磁石角部に集中していた。
【０００７】
これにより、磁石の保磁力要求は、角部が高く、磁石中央及び中心ほど低くなるものであり、磁石は、保磁力が角部に向かって傾斜を持つ構造となっている。この部位ごとに分布する保磁力特性を確認するためには、磁石を微小サイズに切り出す必要がある。
【０００８】
つまり、モータ用磁石の部位ごとに異なる保磁力要求のため、磁石を微小サイズに切り出して、それらの特性評価を実施しなくてはならず、非常に多くの時間が必要であった。
【０００９】
また、自動車用ＩＰＭモータでは、高磁束密度・高保磁力の材料が要求され、磁石としてはネオジム系磁石が用いられる。モータの要求特性を満たすためには、磁石材料に希土類元素であるＤｙ・Ｔｂを添加、若しくは拡散して保磁力を確保してきた。
【００１０】
しかしながら、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。
【００１１】
したがって、本発明は、ステータコアから傾斜機能性永久磁石にかかる磁界を分散し、傾斜機能性永久磁石における磁界の傾斜を緩和することができるモータを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明者らは、前記課題を解決するための手段を種々検討した結果、コイルを備えるステータコアと、前記ステータコアの中空部に回転可能に設けられるロータコアとを含むモータにおいて、前記ロータコアの空間内の軸側に矩形型（直方体形状）の傾斜機能性永久磁石を配置し、前記ロータコアの空間内の前記ステータコア側に前記傾斜機能性永久磁石に接触するように軟磁性材料を配置し、さらに、前記軟磁性材料として、前記傾斜機能性永久磁石と接する面のロータコア周方向の幅において前記傾斜機能性永久磁石以上の寸法を有し、ロータコア半径方向に厚みを有し、かつ、前記ステータコアと前記傾斜機能性永久磁石との間の部材よりも高い飽和磁束密度を有する軟磁性材料を使用することにより、前記ステータコアから前記傾斜機能性永久磁石にかかる磁界が分散され、前記傾斜機能性永久磁石における磁界の傾斜が緩和されることを見出し、本発明を完成した。
【００１３】
すなわち、本発明の要旨は以下の通りである。
（１）コイルを備えるステータコアと、前記ステータコアの中空部に回転可能に設けられるロータコアとを含むモータであって、
前記ロータコアが、矩形型の傾斜機能性永久磁石及び軟磁性材料を備え、
前記傾斜機能性永久磁石が、前記ロータコアの空間内の軸側に配置されており、
前記軟磁性材料が、前記ロータコアの空間内の前記ステータコア側に前記傾斜機能性永久磁石と接触するように配置されており、
前記軟磁性材料が、前記傾斜機能性永久磁石と接する面のロータコア周方向の幅において前記傾斜機能性永久磁石以上の寸法を有し、
前記軟磁性材料が、ロータコア半径方向に厚みを有し、
前記軟磁性材料が、前記ステータコアと前記傾斜機能性永久磁石との間の部材よりも高い飽和磁束密度を有することを特徴とするモータ。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によるモータでは、ステータコアから傾斜機能性永久磁石にかかる磁界が分散され、傾斜機能性永久磁石における磁界の傾斜が緩和される。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態の一部を模式的に示す横断面図である。
【図２】本発明の一実施形態の一部を模式的に示す横断面図である。
【図３】実施例１のモータを模式的に示す横断面図である。
【図４】実施例２のモータを模式的に示す横断面図である。
【図５】比較例１のモータを模式的に示す横断面図である。
【図６】比較例２のモータを模式的に示す横断面図である。
【図７】従来材と実施例１及び２における、特にステータ磁界の強い右の永久磁石（右磁石）の位置（１）〜（９）でのステータ磁界を示すグラフである。
【図８】従来材と実施例１及び２での磁石表面側（右磁石の（１）、（２）及び（３））又は磁石全面（右磁石の（１）〜（９））における最大−最小の磁界の差（Δステータ磁界）を示すグラフである。
【図９】従来材と実施例１及び２でのトルクを示すグラフである。
【図１０】従来材と実施例２の高Ｂｓ材料の厚みと合成トルク又はリラクタンストルクの関係を示すグラフである。
【図１１】従来材と実施例２の高Ｂｓ材料の厚みとステータ磁界の関係を示すグラフである。
【図１２】従来材と比較例１及び２における、特にステータ磁界の強い右磁石の位置（１）〜（９）でのステータ磁界を示すグラフである。
【図１３】従来材と比較例１及び２での磁石表面側（右磁石の（１）、（２）及び（３））又は磁石全面（右磁石の（１）〜（９））における最大−最小の磁界の差（Δステータ磁界）を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。
本明細書では、適宜図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図面では、明確化のために各部の寸法及び形状を誇張しており、実際の寸法及び形状を正確に描写してはいない。それ故、本発明の技術的範囲は、これら図面に表された各部の寸法及び形状に限定されるものではない。なお、本発明のモータは、下記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、当業者が行い得る変更、改良等を施した種々の形態にて実施することができる。
【００１７】
図１及び２は、本発明の実施形態に用いられるＩＰＭモータの一部を示す横断面図である。
【００１８】
モータは、中空円柱状のステータコアと、ステータコアの中空部に回転可能に設けられるロータコアとにより構成される。ステータコアには、その中心軸の方向に貫通する適数個のスロットが、ステータコア周方向に等間隔に形成されている。隣接するスロットの間にティースが形成され、ティースを巻回するように、コイルが設けられる。
【００１９】
ロータコアは、通常、電磁鋼板の積層体であり、該積層体を中心軸方向に貫通して、中心軸方向に延在する空間を有している。さらに、該空間には、矩形型（直方体形状）でありかつ平板状である傾斜機能性永久磁石（本明細書等では、「傾斜機能性永久磁石」を単に「永久磁石」ともいう）と、当該永久磁石のロータコア周方向の幅以上の寸法を有し、ロータコア半径方向に厚みを有し、かつ、ステータコアと永久磁石との間の部材、例えば電磁鋼板よりも高い飽和磁束密度（Ｂｓ）を有する軟磁性材料（本明細書等では、「高い飽和磁束密度を有する軟磁性材料」を「高Ｂｓ材料」ともいう）とが、ロータコアの軸側に永久磁石が配置され、ロータコアのステータコア側（ロータコアの外径側）に高Ｂｓ材料が配置されるようにして、さらに、永久磁石と高Ｂｓ材料が接するようにして径方向に積層された状態で挿入されている。
【００２０】
図１における本実施の形態において、空間は、ロータコアのステータコア側の高Ｂｓ材料が挿入される部分をＶ字型とし、ロータコアの軸側の永久磁石が挿入される部分を当該Ｖ字型の２つの辺に接する矩形型としている。このような空間の適数個が、ロータコア周方向に等間隔に形成されている。そのそれぞれの空間内に、Ｖ字型の高Ｂｓ材料が挿入され、Ｖ字型の２つの辺のロータコアの軸側に、２つの前記した矩形型でありかつ平板状である永久磁石が逆ハ字型で挿入されている。当該Ｖ字型の２つの辺のそれぞれは、当該永久磁石のロータコア周方向の幅以上の寸法を有する。
【００２１】
図２における本実施の形態において、空間は、逆ハ字型をした２つの空間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コア周方向に等間隔に形成されている。それぞれの空間内に、前記した矩形型でありかつ平板状である永久磁石がロータコアの軸側に配置され、当該永久磁石のロータコア周方向の幅以上の寸法を有する矩形型の高Ｂｓ材料が当該永久磁石と接するようにしてロータコアのステータコア側に配置され、永久磁石と高Ｂｓ材料とが径方向に積層された状態で挿入されている。
【００２２】
本発明の実施の形態において、永久磁石は、前記のように、傾斜機能性永久磁石であり、その形状は、矩形型でありかつ平板状である。永久磁石としては、限定されないが、例えば、ネオジム系磁石を挙げることができる。
【００２３】
永久磁石のロータコア周方向の幅（永久磁石の高Ｂｓ材料と接する面のロータコア周方向の長さ）は、限定されないが、例えば、図２のような空間組がロータコア全体にわたって８個存在する場合に、ロータコアの直径に対して、通常７％〜１２％、好ましくは９％〜１１％、例えば１０％である。
【００２４】
永久磁石のロータコア半径方向の厚み（永久磁石のロータコア半径方向の長さ）は、限定されないが、例えば、図２のような空間組がロータコア全体にわたって８個存在する場合に、ロータコアの直径に対して、通常２％〜７％、好ましくは３％〜５％、例えば４％である。
【００２５】
本実施の形態において、高Ｂｓ材料は、前記のように、永久磁石と接する面のロータコア周方向の幅において永久磁石以上の寸法を有し、ロータコア半径方向に厚みを有し、かつ、ステータコアと永久磁石との間の部材よりも高い飽和磁束密度を有する。高Ｂｓ材料としては、例えば、ステータコアと永久磁石との間の部材として通常用いられる、２．０Ｔの飽和磁束密度を有する電磁鋼板よりも大きな飽和磁束密度を有するものが挙げられる。高Ｂｓ材料としては、パーメンジュールが好ましい。高Ｂｓ材料の形状は、Ｖ字型又は矩形型でありかつ平板状である形状が好ましい。
【００２６】
高Ｂｓ材料のロータコア周方向の幅（高Ｂｓ材料の永久磁石と接する面のロータコア周方向の長さ）は、永久磁石のロータコア周方向の幅以上の寸法を有すれば限定されないが、永久磁石のロータコア周方向の幅に対して、通常１００％〜１１０％、好ましくは１００％〜１０７％である。
【００２７】
高Ｂｓ材料のロータコア半径方向の厚み（高Ｂｓ材料のロータコア半径方向の長さ）は、厚いほど好ましく、永久磁石のロータコア半径方向の厚みに対して、通常０超％〜７０％、好ましくは３％〜３２％である。
【００２８】
ステータコアのコイル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。ステータコアのコイルにより発生する回転磁界が、ロータコアの永久磁石に作用することにより、コイルと永久磁石とが誘引又は反発することで回転駆動力が発生し、ロータコアがステータコア内で回転する。
【００２９】
図１及び２に示すように、各空間において、永久磁石と高Ｂｓ材料との積層体は、高Ｂｓ材料がステータコア側（ロータコアの外径側）に面するようにして、空間内に挿入されている。すなわち、高Ｂｓ材料は、モータの運転時において、ステータコアと永久磁石間での磁束の流れる方向に比較的直交するように永久磁石の面に接して、かつステータコア側に面して配置されていることとなる。
【００３０】
本実施の形態において、永久磁石と接する面のロータコア周方向の幅において永久磁石以上の寸法を有し、ロータコア半径方向に厚みを有し、かつ、ステータコアと永久磁石との間の部材よりも高い飽和磁束密度を有する高Ｂｓ材料がロータコアのステータコア側（ロータコアの外径側）に、永久磁石に接するようにして配置されることによって、ステータコアからの磁界が永久磁石に入射する際、ステータ磁界が全体的に分散され、磁界絶対量が減少する。さらに、永久磁石への逆磁界が低下し、永久磁石の磁界の傾斜が緩和される。また、大きな磁気回路の変化がないため、トルクが維持又は増加される。
【実施例】
【００３１】
以下、本発明に関するいくつかの実施例につき説明するが、本発明をかかる実施例に示すものに限定することを意図したものではない。
【００３２】
１．高Ｂｓ材料配置による効果
図３〜６に示すＩＰＭモータ（図３：実施例１、図４：実施例２、図５：比較例１、図６：比較例２）を作製し、従来材を用いて作製したＩＰＭモータ（以下、「従来材」と示す）と、実施例１及び２並びに比較例１及び２とを比較した。
【００３３】
実施例１：ロータコアのステータコア側のＶ字型の空間に、Ｖ字型のパーメンジュールが挿入されており、当該Ｖ字型の２つの辺に接するように逆ハ字型で形成されているロータコアの軸側の矩形型の２つの空間それぞれに、矩形型の傾斜機能性永久磁石が挿入されており、このような空間の適数個が、ロータコア周方向に等間隔に形成されている。
【００３４】
実施例２：逆ハ字型の２つの空間の空間組として形成されている空間それぞれに、矩形型でありかつ平板状である傾斜機能性永久磁石がロータコアの軸側に配置され、当該永久磁石のロータコア周方向の幅以上の寸法を有する矩形型のパーメンジュールが当該永久磁石と接するようにしてロータコアのステータコア側に配置され、永久磁石と高Ｂｓ材料とが径方向に積層された状態で挿入されており、このような空間組の適数個がロータコア周方向に等間隔に形成されている。
【００３５】
比較例１：逆ハ字型の２つの空間の空間組として形成されている空間それぞれに、矩形型でありかつ平板状である傾斜機能性永久磁石がロータコアのステータコア側に配置され、当該永久磁石のロータコア周方向の幅以上の寸法を有する矩形型のパーメンジュールが当該永久磁石と接するようにしてロータコアの軸側に配置され、永久磁石と高Ｂｓ材料とが径方向に積層された状態で挿入されており、このような空間組の適数個がロータコア周方向に等間隔に形成されている。
【００３６】
比較例２：逆ハ字型の２つの空間の空間組として形成されている空間それぞれに、矩形型でありかつ平板状である傾斜機能性永久磁石がロータコアの軸側に配置され、三角型のパーメンジュールが当該永久磁石と接するようにしてロータコアのステータコア側に配置され、永久磁石と高Ｂｓ材料とが径方向に積層された状態で挿入されており、このような空間組の適数個がロータコア周方向に等間隔に形成されている。
【００３７】
従来材：実施例１及び２において、パーメンジュールの代わりに電磁鋼板を用いたこと以外は、実施例１及び２と同様にＩＰＭモータを作製した。なお、実施例１においてＶ字型のパーメンジュールの代わりにＶ字型の電磁鋼板を用いて作製したＩＰＭモータと、実施例２において矩形型のパーメンジュールの代わりに矩形型の電磁鋼板を用いて作製したＩＰＭモータとでは、ステータ磁界及びトルクにおいて同じ結果を示したため、それらの結果は、「従来材」としてまとめて示す。
【００３８】
結果を図７〜１３に示す。図７は、従来材と実施例１及び２における、特にステータ磁界の強い右磁石の図３に示す位置（１）〜（９）でのステータ磁界を示す。図８は、従来材と実施例１及び２での磁石表面側（右磁石の（１）、（２）及び（３））又は磁石全面（右磁石の（１）〜（９））における最大−最小の磁界の差（Δステータ磁界）を示す。図９は、従来材と実施例１及び２でのトルクを示す。図１０は、従来材と実施例２の高Ｂｓ材料の厚み（図４参照）と合成トルク又はリラクタンストルクの関係を示す。図１１は、従来材と実施例２の高Ｂｓ材料の厚み（図４参照）とステータ磁界の関係を示す。図１２は、従来材と比較例１及び２における、特にステータ磁界の強い右磁石の位置（１）〜（９）でのステータ磁界を示す。図１３は、従来材と比較例１及び２での磁石表面側（右磁石の（１）、（２）及び（３））又は磁石全面（右磁石の（１）〜（９））における最大−最小の磁界の差（Δステータ磁界）を示す。
【００３９】
図７より、ロータコアのステータコア側の永久磁石と接触する位置に高Ｂｓ材料が配置されると、ステータコアからの磁界が永久磁石に入射する際、ステータ磁界が全体的に分散され、磁界絶対量が減少することがわかった。また、従来材では、磁界が角部に集中していた。さらに、図８より、磁石表面側、磁石全面における最大−最小の磁界の差をΔステータ磁界としたとき、永久磁石の磁界の傾斜が緩和されたことがわかった。また、図９より、実施例１及び２では、大きな磁気回路の変化がないため、トルクが維持又は増加できることがわかった。図１０及び１１からは、配置される高Ｂｓ材料の厚みは、厚い方が、効果が大きいことがわかった。
【００４０】
図１２より、比較例１のようにロータコアの軸側の永久磁石と接触する位置に高Ｂｓ材料が配置された場合には、磁界の分散効果が発揮されず、全体的に磁界が増加することがわかった。また、図１３より、比較例１及び２では、十分な量の高ＢＳ材料が適切に配置されていないため、磁界の減少がほとんど発生しないことがわかった。
【図１】
2020171137.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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