(57)【要約】【課題】分割磁石からなるモータ用磁石において、製造工数を増加させることなく、製造コストを高騰させることなく、しかも分割磁石間の絶縁性に優れたモータ用磁石と、このモータ用磁石を埋設してなるＩＰＭモータ用ロータ、このロータを具備するＩＰＭモータを提供する。【解決手段】ロータ軸に沿う方向に設けられたスロット内に挿入されるモータ用磁石１０であり、磁石１０は、複数の分割磁石３，…がロータ軸方向に積層されて形成されており、各分割磁石３，…の周りには、分割磁石１，…が酸化してなる酸化皮膜２，…が形成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロータ軸に沿う方向に設けられたスロット内に挿入されるモータ用磁石であって、
前記磁石は、複数の分割磁石が前記ロータ軸方向に積層されて形成されており、
各分割磁石の周りには、分割磁石が酸化してなる酸化皮膜が形成されている、モータ用磁石。
【請求項２】
前記酸化皮膜の厚みは、略１５ｎｍもしくは、１５ｎｍ以上である、請求項１に記載のモータ用磁石。
【請求項３】
ロータ軸に沿う方向に設けられたスロット内に請求項１または２に記載のモータ用磁石が埋設されてなる、ＩＰＭモータ用ロータ。
【請求項４】
請求項３に記載のロータを少なくとも備えている、ＩＰＭモータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータ用磁石と、この磁石が埋め込まれてなるＩＰＭモータ用のロータと、該ロータを備えたＩＰＭモータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ブラシレスＤＣモータをはじめとする各種モータの中で、ロータコア内部に複数の永久磁石が埋め込まれてなる永久磁石埋込型のロータを具備するモータ（以下、ＩＰＭモータという）はよく知られるところである。例えば、ハイブリット車両の駆動用モータには、上記するＩＰＭモータが使用されている。
【０００３】
ところで、ステータティースには巻線が集中巻き若しくは分布巻きされることによってコイルが形成されており、コイルに電流を通電することによって磁束を生じさせ、永久磁石による磁束との間でマグネットトルクおよびリラクタンストルクを発生させている。この分布巻きコイルの場合には、集中巻きコイルの場合に比して磁極数も多くなり、したがって、ロータ回転時にティース側からロータの永久磁石に入ってくる磁束（または磁束の変化）は相対的に連続性がある。そのため、ロータ回転時の磁束密度の変化は相対的に少ない。それに対し、集中巻きコイルの場合には、磁束密度の変化が相対的に大きくなることから永久磁石には渦電流が生じ易く、渦電流の発生によって永久磁石は発熱し、不可逆な熱減磁が招来されることで永久磁石自体の磁気特性が低下することとなる。
【０００４】
近時のハイブリッド自動車や電気自動車で使用される駆動用モータに関して言えば、モータの出力性能アップが追求されている中でたとえばその回転数や極数の増加が図られており、この回転数の増加等によって磁石に作用する磁界の変動率が大きくなり、その結果として上記渦電流が発生し易く、発熱によって齎される磁石の熱減磁によってモータ性能が逆に低下し、モータの耐久性の低下に繋がるといった課題が生じている。
【０００５】
上記する渦電流の発生およびそれに起因する熱減磁の招来を防止するために、ＩＰＭモータにおいては、該永久磁石を複数の分割磁石から形成しておき、この分割磁石を束ねてロータスロットに挿入設置する方策が講じられている。
【０００６】
ここで、上記する分割磁石からなるモータ用磁石（永久磁石）の製造方法に関する技術として特許文献１を挙げることができる。この永久磁石は、永久磁石母材を分割する第１工程と、分割して得られた磁石片の全面を絶縁皮膜処理する第２工程と、絶縁皮膜処理が施された磁石片を接合する第３工程と、接合体が所定の寸法となるよう加工する第４工程と、加工後の接合体の全面に絶縁皮膜処理を施す第５工程と、を含む工程によって製造されるものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−１３４７５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１に開示の製造方法によれば、第２工程にて分割磁石片の周囲に、第５工程にて永久磁石の周囲にそれぞれエポキシ樹脂やエナメル樹脂等からなる絶縁皮膜が施されることで、分割磁石片同士を接着剤等で接着する場合に、この接着剤層が仮に不均一であっても、分割磁石片同士が直接接触することを抑止することができる、というものである。しかし、２つの工程のそれぞれで樹脂皮膜を形成することから、製造工数の増加、製造効率性の低下、製造コストの高騰は否めない。
【０００９】
本発明は、上記する問題に鑑みてなされたものであり、分割磁石からなるモータ用磁石において、製造工数を増加させることなく、製造コストを高騰させることなく、しかも分割磁石間の絶縁性に優れたモータ用磁石と、このモータ用磁石を埋設してなるＩＰＭモータ用ロータ、このロータを具備するＩＰＭモータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記目的を達成すべく、本発明によるモータ用磁石は、ロータ軸に沿う方向に設けられたスロット内に挿入されるモータ用磁石であって、前記磁石は、複数の分割磁石が前記ロータ軸方向に積層されて形成されており、各分割磁石の周りには、分割磁石が酸化してなる酸化皮膜が形成されているものである。
【００１１】
本発明の磁石は、永久磁石をその主な対象としており、希土類磁石やフェライト磁石、アルニコ磁石等を包含するものであり、希土類磁石としては、ネオジムに鉄とボロンを加えた３成分系のネオジム磁石、サマリウムとコバルトとの２成分系の合金からなるサマリウムコバルト磁石、サマリウム鉄窒素磁石、プラセオジム磁石などを挙げることができる。中でも、希土類磁石はフェライト磁石やアルニコ磁石に比して最大エネルギー積（ＢＨ）ｍａｘが高いことから、高出力が要求されるハイブリッド車等の駆動用モータへの適用に好適である。
【００１２】
本発明の磁石を構成する分割磁石は、その表面に磁石成分が酸化してなる酸化皮膜を有し、この酸化皮膜で隣接する分割磁石との絶縁を補償するものであり、既述する従来技術のごとく、磁石とは別素材の樹脂皮膜等を形成するものではない。
【００１３】
ここで、本発明者等の解析および実験によれば、分割磁石表面に形成される酸化皮膜の厚みは、略１５ｎｍか、１５ｎｍ以上の厚みを有するのが好ましいという知見が得られている。これは、磁石に生じる渦電流損失に相間する磁石抵抗に関し、無垢の磁石に比して分割磁石とすることで磁石抵抗は低減すること、何等の絶縁皮膜を具備しない分割磁石からなる磁石に対して酸化皮膜を具備する分割磁石からなる磁石の磁石抵抗はその酸化皮膜の厚みによって変化し、１５ｎｍ付近で磁石抵抗の低減率の変曲点が確認され、略１５ｎｍの厚みで該低減率がサチュレートすること、という理由によるものである。
【００１４】
さらに、本発明者等によれば、１５ｎｍ程度の酸化皮膜を形成するには、分割磁石をおよそ２日間程度放置するだけでよいことが確認されている。
【００１５】
上記する本発明の磁石（たとえば永久磁石）がロータ軸に沿う方向に設けられたスロット内に埋設されてなる、ＩＰＭモータ用ロータ、このロータと、その周囲に配設されるステータを具備するＩＰＭモータは、近時その量産が盛んになっており、かつ高い出力性能が期待されるハイブリッド自動車や電気自動車の駆動用モータに好適である。なお、これらのロータ（コア）やステータ（コア）は、電磁鋼板を積層してなる鋼板積層体のほか、鉄、鉄−シリコン系合金、鉄−窒素系合金、鉄−ニッケル系合金、鉄−炭素系合金、鉄−ホウ素系合金、鉄−コバルト系合金、鉄−リン系合金、鉄−ニッケル−コバルト系合金および鉄−アルミニウム−シリコン系合金などの軟磁性金属粉末、もしくは軟磁性金属酸化物粉末がシリコーン樹脂等の樹脂バインダーで被覆された磁性粉末などからなる圧粉磁心、高密度圧粉磁心（ＨＤＭＣ）などから成形できる。
【発明の効果】
【００１６】
以上の説明から理解できるように、本発明のモータ用磁石と、これを具備するＩＰＭモータ用ロータおよびＩＰＭモータによれば、単に分割磁石を所定期間放置し、その表面に酸化皮膜が形成されたものを積層して形成された磁石をロータ内に埋設するだけの、極めて簡易で、かつコスト増を招来しない製造方法により、磁石内で生じ得る渦電流損失を大幅に低減でき、もって、回転性能、トルク性能、回転効率に優れたＩＰＭモータを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】（ａ）は、本発明の磁石を構成する分割磁石の製造方法を示した模式図であり、（ｂ）は、図１ａで製造された分割磁石を積層してなる本発明の磁石を示した模式図である。
【図２】図１の磁石がロータ内に埋設されたＩＰＭモータの斜視図である。
【図３】酸化皮膜の厚みの異なる分割磁石からなる磁石の、酸化皮膜のない従来構造の分割磁石からなる磁石に対する磁石抵抗低減率に関する、解析結果および実験結果を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。なお、図示するＩＰＭモータにおいて、ティース周りに形成されるコイルや、コイルボビン、相間絶縁紙などの図示は省略している。また、図示のごとく円環状に一体に形成されたステータ以外にも、平面視が弧状のヨークと、ヨークから径方向内側に突出するティースと、からなる電磁鋼板が積層されてなる分割コアが円周方向に組み付けられ、その外周が筒体にて締結されてなる分割ステータであってもよい。
【００１９】
図１は、本発明の磁石を構成する分割磁石の製造方法を示した模式図である。その図１ａで示すように、挿入されるロータの磁石スロットの長さに応じた磁石(永久磁石)を所定数だけ分割してなる分割磁石１を用意し、これを、たとえば、室温２５℃程度、室内の相対湿度が５０％ＲＨ程度の雰囲気下で、たとえば２〜３日間、この分割磁石１を放置する。なお、この分割磁石１は、希土類磁石やフェライト磁石、アルニコ磁石等であり、希土類磁石としては、ネオジムに鉄とボロンを加えた３成分系のネオジム磁石、サマリウムとコバルトとの２成分系の合金からなるサマリウムコバルト磁石、サマリウム鉄窒素磁石、プラセオジム磁石などである。
【００２０】
放置後の分割磁石１の周囲には、その表面の磁石成分が酸化して酸化皮膜２が形成されて、ロータ内に挿入される分割磁石３が得られる。なお、２日間程度の放置により、およそ１５ｎｍ程度の厚みの酸化皮膜２が形成される。
【００２１】
形成された分割磁石３を所定数積層して磁石１０を製造し、この磁石３を不図示のロータに開設された磁石用スロット内に挿入する（Ｘ方向）。なお、隣接する分割磁石３，３同士は、耐熱性の接着剤にて接着されてもよいし、無接着のまま積層姿勢でスロット内に挿入されてもよい。
【００２２】
図２は、磁石がロータ内に埋設されたＩＰＭモータを斜視図で示したものである。
図２で示すＩＰＭモータ１００は、平面視が略環状のヨーク５２と、該ヨーク５２から径方向内側に突出するティース５１と、からなり、電磁鋼板５，…が積層されて形成されているステータ５０と、ステータ５０の内側に回転自在に配設され、円盤状の電磁鋼板４，…が積層されてなるロータ４０と、から大略構成されている。このロータ４０には、その中央位置においてロータ軸４１（駆動シャフトスロット）が開設されており、その周縁部には、所定数で該ロータ軸４１に沿う方向に延びる磁石用スロットが開設されており、この磁石用スロットに磁石１０が挿入され、たとえば該スロットと永久磁石１０の間に固定用樹脂が充填されて磁石１０のスロット内固定が補償されている。なお、図示例は、一極当たり一個の磁石１０が、平面視でその長手方向をティース５１に正対させた姿勢で配設された形態であるが、これ以外にも、２つの永久磁石で一極を形成するものであって、これらの永久磁石が平面視でＶ字状に配置された形態であってもよい。
【００２３】
ステータ５０は、たとえば、そのヨーク５２でかしめられて積層された電磁鋼板５，…が一体に形成されており、ロータ４０も、磁石１０とロータ軸４１の間の領域でかしめられて電磁鋼板４，…が一体に形成されている。
【００２４】
なお、ステータ５０、ロータ４０ともに、電磁鋼板を積層した形態以外にも、鉄、鉄−シリコン系合金、鉄−窒素系合金、鉄−ニッケル系合金、鉄−炭素系合金、鉄−ホウ素系合金、鉄−コバルト系合金、鉄−リン系合金、鉄−ニッケル−コバルト系合金および鉄−アルミニウム−シリコン系合金などの軟磁性金属粉末、もしくは軟磁性金属酸化物粉末がシリコーン樹脂等の樹脂バインダーで被覆された磁性粉末などからなる圧粉磁心にて成形されるものであってもよい。
【００２５】
図示するＩＰＭモータ１００は、そのロータ４０内において、酸化皮膜２にて相互に絶縁された分割磁石３，…が積層されてなる磁石１０が所定の磁極数挿入されていることにより、磁石１０内に生じ得る渦電流損失（もしくはこれに相間する磁石抵抗）を可及的に低減することができ、これに起因して、トルク性能、回転性能、回転効率に優れたモータとなる。
【００２６】
[酸化皮膜の厚みの異なる分割磁石からなる磁石の、酸化皮膜のない従来構造の分割磁石からなる磁石に対する磁石抵抗低減率に関する、解析および実験とそれらの結果]
本発明者等は、図１ｂで示す磁石を製造し、電磁鋼板が積層してなるコアにコイルを形成した磁場形成装置を用意し、このコイルに電流を通電して磁界を形成し、この磁界内に磁石を載置して、磁石抵抗を計測する実験をおこなった。
【００２７】
この実験では、磁石を１５の分割磁石から形成し、酸化皮膜の厚みがゼロのもの（すなわち、従来の酸化皮膜なしの分割磁石）から、厚みが１５ｎｍ程度のもの、４０ｎｍ程度のものを作成した。さらに、分割磁石の寸法は、図１ａを参照して、ｔ１が３．８ｍｍ、ｔ２が６．５ｍｍ、ｔ３が９．９ｍｍである。ここで、酸化皮膜の厚みの測定は、ＸＰＳ（Ｘ線光電子分光分析）にておこなった。
【００２８】
また、この実験に先立ち、実験と同素材の電磁鋼板の磁気特性を有するコアモデル、同素材の磁石モデル、同様の通電条件をコンピュータ内で設定し、磁石抵抗を解析で求めた。解析結果、実験結果を図３に示している。
【００２９】
図３において、磁石抵抗：１．０×１０−４は酸化皮膜の厚みが１５ｎｍに対応しており、磁石抵抗：１．０×１０１２は酸化皮膜の厚みが３０ｎｍに、磁石抵抗：１．０×１０１６は酸化皮膜の厚みが４０ｎｍにそれぞれ対応している。また、抵抗低減率（％）は、酸化皮膜のない従来構造の分割磁石からなる磁石の抵抗値に対して、それぞれの厚みの酸化皮膜を具備する分割磁石からなる磁石の抵抗値の低減割合である。
【００３０】
図３より、実験結果（実験値が○で、○同士を繋ぐ実線ライン）と、解析結果（解析値が×で、×同士を繋ぐ点線ライン）は、ほぼ完全に相間している結果となっている。
また、実験結果、解析結果ともに、酸化皮膜が１５ｎｍ付近までは比例的に抵抗低減率が増加し、１５ｎｍ付近で抵抗低減率の変曲点を迎え、１５ｎｍ以上の範囲では抵抗低減率が７０％程度にサチュレートしているという結果となった。
【００３１】
したがって、酸化皮膜の厚みが１５ｎｍ程度の分割磁石からなる磁石を製造することにより、可及的に磁石体格を小さくしながら、磁石抵抗（渦電流損失）の可及的に少ない磁石が得られることが実証された。
【００３２】
なお、本発明者等の知見によれば、磁石の分割数を変化させることにより、抵抗低減率は７０％を高低するが（分割数が１５よりも多くなると、７０％以上の抵抗低減率になるという傾向）、酸化皮膜の厚みが１５ｎｍ付近で変曲点を向かえ、抵抗低減率がサチュレートする傾向に変化がないことは特定されている。
【００３３】
上記する分割磁石３を積層してなる磁石１０をロータ内に具備してなるＩＰＭモータ１００は、埋設される分割磁石３が、単に放置されて、その表面に所定厚の酸化皮膜が形成されるという、極めて簡易で何等のコスト増を齎さない方法で製造されるものであり、しかも磁石抵抗の極めて少ない磁石であることから、簡易で安価な製造方法により、トルク性能、回転性能、モータ効率に優れたＩＰＭモータである。したがって、このようなＩＰＭモータは、車載機器に高い性能を要求する近時のハイブリッド自動車や電気自動車の駆動用モータに好適である。
【００３４】
以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの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ける設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。
【符号の説明】
【００３５】
１…分割磁石、２…酸化皮膜、３…分割磁石、４，５…電磁鋼板、１０…磁石（永久磁石）、４０…ロータ、４１…ロータ軸（回転軸）、５０…ステータ、１００…ＩＰＭモータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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