(57)【要約】【課題】回転子内での空気循環による冷却で、ジスプロシウム含有率の低いネオジム磁石の使用を可能にする。【解決手段】固定子１１と回転子１２が外気からケース１３で閉じられた埋込磁石同期電動機で、回転子の主たる回転方向に開口部１９を有する空気取入れ部２０が、ネオジム磁石１６周辺の貫通孔１８を覆う位置で回転子１２の一方の端面２２に固定され、回転軸の中心を回転対称中心とする渦形状の一部から成る複数のフィン２５を有する熱交換部２４が回転子１２の他方の端面２３に対向して配置される。空気取入れ部から流し込まれた空気が、貫通孔でネオジム磁石周辺からの熱を奪い、熱を放出する熱交換部を介し、還流孔２８を通って空気取入れ部に戻り、再び空気取入れ部２０に入る循環を回転子の内側で行う。【選択図】図１
2014087077.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定子と回転子がケースで外気から閉じられ、積層された磁性鋼板からなる回転子コアの各磁極に希土類磁石が埋設された埋込磁石同期電動機において、
回転子の主たる回転方向に開口部を有する空気取入れ部が回転子の一方の端面における希土類磁石周辺の貫通孔の位置に固定され、前記貫通孔と前記回転子の内側を途中に熱交換部を介して空気が循環される、
ことを特徴とする埋込磁石同期電動機の回転子冷却構成。
【請求項２】
前記希土類磁石にネオジム磁石が用いられる、
ことを特徴とする請求項１に記載の埋込磁石同期電動機の回転子冷却構成。
【請求項３】
前記熱交換部が、回転軸の中心を回転対称中心とする渦形状の一部からなる複数のフィンを有し、前記回転子の端面に対向して配置される、
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の埋込磁石同期電動機の回転子冷却構成。
【請求項４】
回転軸の中心を回転対称中心として主たる回転方向に外から中心へ収斂する渦形状の一部からなる複数のフィンを有する前記熱交換部が前記回転子の他方の端面に対向して配置される、
ことを特徴とする請求項３に記載の埋込磁石同期電動機の回転子冷却構成。
【請求項５】
回転軸の中心を回転対称中心として主たる回転方向に中心から外へ発散する渦形状の一部からなる複数のフィンを有する前記熱交換部が前記回転子の一方の端面に対向して配置される、
ことを特徴とする請求項３に記載の埋込磁石同期電動機の回転子冷却構成。
【請求項６】
前記熱交換部が、油路を内在したケースと一体化される、
ことを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれかに記載の埋込磁石同期電動機の回転子冷却構成。
【請求項７】
前記熱交換部が、水路を内在したケースと一体化される、
ことを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれかに記載の埋込磁石同期電動機の回転子冷却構成。
【請求項８】
前記熱交換部が、外に突出された複数の放熱フィンを有したケースと一体化される、
ことを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれかに記載の埋込磁石同期電動機の回転子冷却構成。
【請求項９】
前記熱交換部が、熱電変換素子を有するケースと一体化される、
ことを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれかに記載の埋込磁石同期電動機の回転子冷却構成。
【請求項１０】
前記熱交換部の複数の前記フィンの外縁部に円形状の壁面が設けられる、
ことを特徴とする請求項３から請求項５までのいずれかに記載の埋込磁石同期電動機の回転子冷却構成。
【請求項１１】
前記ネオジム磁石が埋め込まれる磁石埋設用孔の周方向端部の近傍から径方向に延長された磁束短絡防止孔で前記貫通孔が形成される、
ことを特徴とする請求項２から請求項５までのいずれかに記載の埋込磁石同期電動機の回転子冷却構成。
【請求項１２】
前記ネオジム磁石と前記回転子コアの間の隙間で前記貫通孔が形成される、
ことを特徴とする請求項２から請求項５までのいずれかに記載の埋込磁石同期電動機の回転子冷却構成。
【請求項１３】
前記ネオジム磁石の外方向磁極面に対向する磁極頭部コアに穿設された孔で前記貫通孔が形成される、
ことを特徴とする請求項２から請求項５までのいずれかに記載の埋込磁石同期電動機の回転子冷却構成。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、埋込磁石同期電動機の回転子の冷却に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
磁性鋼板（電磁鋼板）が積層された回転子の各磁極に永久磁石が埋め込まれ、マグネットトルクに加え、リラクタンストルクも利用する埋込磁石同期電動機（別称として埋込磁石同期モータ、あるいはＩＰＭモータなど）がハイブリッド自動車や電気自動車などに用いられ、小型化のため、エネルギー積の大きいネオジム磁石が用いられる。
【０００３】
ハイブリッド自動車などでは、エンジンからの熱や、固定子や回転子での銅損や鉄損で摂氏２００度ほどにもなる温度環境下においても、ネオジム磁石に不可逆減磁を生じさせないことが必須になる。ネオジム磁石（ＮｄＦｅＢ系焼結磁石）の耐熱性のために大きい保磁力Ｈｃｊを持たせるには、重希土類元素であるジスプロシウム（Ｄｙ）の含有率が８ｗｔ％（重量パーセント）から１０ｗｔ％ほどにされたネオジム磁石が用いられる。しかし、残留磁束密度Ｂｒは低下し、産地と入手が制約されて高価なジスプロシウムを多く用いることになる。
【０００４】
ジスプロシウムを避けるため、ジスプロシウムの添加とほぼ同様の耐熱性と磁気特性の変化を示すテルビウム（Ｔｂ）添加のネオジム磁石を用いることもできる。テルビウムはジスプロシウムより資源量がさらに希少であり、産地もジスプロシウムと重なる。他にはサマリウム・コバルト磁石が用いられることもある。サマリウム・コバルト磁石は耐熱性に優れ、磁気特性の変化が少ない。サマリウム（Ｓｍ）はネオジム（Ｎｄ）に較べて資源量が少ない。コバルト（Ｃｏ）は鉄（Ｆｅ）に較べて高価格である。鉄の含有率を高くして、ジスプロシウム含有率の高いネオジム磁石に近似するエネルギー積も可能である。
【０００５】
回転子に設けられた永久磁石を空気流で冷やすことで耐熱性の限界を超えた不可逆減磁や、磁気特性の低下を避けるために、特許文献１では、回転子の内側を通し、特許文献２では、永久磁石に直接接する貫通孔を通して、羽根（ファン）で外気の吸入と排出をすることで回転子と固定子を冷やす。
【０００６】
ケースに収められて外気から閉ざされた回転子と固定子を空気流で直接冷却する方法がある。特許文献３では、回転子と固定子の何れにも貫通された通風穴を通して空気が循環され、請求項４では、外部に設けられた熱交換器と回転子の内側を通して空気が循環される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−３５０４２７号公報
【特許文献２】特開平８−２０５４３８号公報
【特許文献３】特開平１１−１４６５８５号公報
【特許文献４】特開２００８−１２５２３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
外気から閉じられたケースの中で、発熱量と熱容量の大きい固定子に空気を循環させず、ネオジム磁石（希土類磁石）周辺の貫通孔と回転子の内側で、熱交換部を途中に介して空気を循環させることで、ネオジム磁石を冷却する。
【０００９】
回転子の主たる回転方向に開口部を有する空気取入れ部を貫通孔の位置の回転子コアに固定し、空気を導入するのに不必要に攪拌しない。
【００１０】
熱交換部は、回転軸を中心とする渦形状のフィンで空気流を整え、熱交換を効率的にする。
【００１１】
貫通孔にもなる径方向に長い磁束短絡防止孔で、ネオジム磁石に加わる逆極性磁場と渦電流損による温度上昇を抑制する。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の埋込磁石同期電動機の回転子冷却構成は、固定子と回転子が外気から閉じられたケースの中で希土類磁石を効率的に冷やすため、請求項１では、回転子の主たる回転方向に開口部を有して回転子の一方の端面に固定された空気取入れ部によって希土類磁石（ネオジム磁石）周辺の貫通孔に空気が流し込まれ、貫通孔と回転子の内側を途中に熱交換部を介して空気が循環される。
【００１３】
資源豊富な軽希土類元素のネオジム（Ｎｄ）を用いて、大きいエネルギー積の磁石として利用するため、請求項２では、希土類磁石にネオジム磁石が用いられる。
【００１４】
空気の熱交換効率と径方向の流動を促進するために、請求項３では、空気取入れ部が回転子コアの一方の端面に固定され、回転軸の中心を回転対称中心とする渦形状の一部からなる複数のフィンを有する熱交換部が回転子の端面に対向して配置される。
【００１５】
径方向の外から内への空気流動を図るため、請求項４では、回転軸の中心を回転対称中心として、主たる回転方向に外から中心へ収斂する渦形状の一部からなる複数のフィンを有する熱交換部が、回転子の他方の端面に対向して配置される。
【００１６】
径方向の内から外への空気流動を図るため、請求項５では、回転軸の中心を回転対称中心として、主たる回転方向に中心から外に発散する渦形状の一部からなる複数のフィンを有する熱交換部が、空気取入れ部が固定される一方の端面に対向して配置される。
【００１７】
熱交換部の温度を低めに維持するため、請求項６では、熱交換部が油路を内在したケースと、請求項７では、熱交換部が水路を内在したケースと一体化される。また、請求項８では、熱交換部が外に突出された複数の放熱フィンを有したケースと一体化される。さらに請求項９では、熱電変換素子を有したケースと一体化される。
【００１８】
固定子への空気の循環を少なくするため、請求項１０では、熱交換部の複数のフィンの外縁部に円形状の壁面が設けられる。
【００１９】
空気を流し込むためのネオジム磁石周辺の貫通孔は、請求項１１では、磁石埋設用孔の周方向端部の近傍から径方向に延長された磁束短絡防止孔で、請求項１２では、ネオジム磁石と回転子コアの間の隙間で、また、請求項１３では、ネオジム磁石の外方向磁極面に対向する磁極頭部コアに穿設された孔で、それぞれ積層方向に貫通されて形成される。
【００２０】
本発明の構成で、ジスプロシウム（Ｄｙ）と近似した効果を示すテルビウム（Ｔｂ）添加のネオジム磁石を用いてもよい。
【００２１】
本発明の構成において、ネオジム磁石の代わりにサマリウム・コバルト系磁石を用いてもよい。
【発明の効果】
【００２２】
閉じられたケースの中で、ネオジム磁石（希土類磁石）周辺の貫通孔と回転子内で熱交換部を介しる空気循環を行うことで、ネオジム磁石（希土類磁石）を効率的に冷却できる。
【００２３】
貫通孔を兼ねる磁束短絡防止孔で逆極性磁場にともなう磁束を漏洩させ、ネオジム磁石での逆極性磁場を低減することで、ジスプロシウム含有率の低いネオジム磁石をハイブリッド自動車などに用いることが可能になる。
【００２４】
ネオジム磁石のジスプロシウム含有率の低下と温度上昇の抑制で残留磁束密度Ｂｒを大きめに保ち、マグネットトルクを大きめに維持する。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の埋込磁石同期電動機の回転子冷却構成の実施例１を断面で示す。
【図２】実施例１に用いる埋込磁石同期電動機の一部拡大した端面を示す。
【図３】実施例１の一部構成図を示す。
【図４】本発明の埋込磁石同期電動機の回転子冷却構成の実施例２を断面で示す。
【図５】実施例２に用いる埋込磁石同期電動機の一部拡大した端面を示す。
【図６】実施例２の一部構成図を示す。
【図７】ネオジム磁石の温度による磁気特性を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本発明の埋込磁石同期電動機の回転子冷却構成である、固定子とともに外気からケースで閉じられた回転子に埋め込まれたネオジム磁石を効率的に空気で冷やす構成を、（００２７）の項から（００３８）の項までを前提にして、実施の形態で示す。
【００２７】
埋込磁石同期電動機が、構造的に熱が篭りやすい環境や、エンジンなどの熱の影響を受けるハイブリッド自動車で用いられると、自らの発熱も加わることで、ネオジム磁石（希土類磁石）が可逆的であるが磁気特性が低下し、あるいは不可逆減磁される可能性がある。
【００２８】
磁石の磁気特性は磁化曲線（ヒステリシスループ）で示され、磁束密度Ｂは、加えられる磁場Ｈと磁石の磁気分極Ｊの和で表される。
Ｂ＝μＨ＋Ｊ
Ｂ：磁束密度（Ｔ、テスラ）、Ｈ：磁場（Ａ／ｍ）、Ｊ：磁気分極（Ｔ）、
μ：真空の透磁率
磁化曲線の第２象限の部分で示される減磁曲線は、磁場Ｈにより変化する磁気分極Ｊの大きさを示すＪ−Ｈ減磁曲線と、磁場Ｈに磁石の磁気分極Ｊを加えた全体の磁束密度Ｂを示すＢ−Ｈ減磁曲線がある。
【００２９】
Ｊ−Ｈ減磁曲線における磁場Ｈ＝０での磁気分極Ｊが残留磁気分極Ｊｒに、磁気分極Ｊ＝０になる磁場Ｈの値が保磁力Ｈｃｊとなる。また、Ｂ−Ｈ減磁曲線における磁場Ｈ＝０での磁束密度Ｂが残留磁束密度Ｂｒとなる。第２象限の部分で、負の傾きのパーミアンス係数の動作線とＢ−Ｈ減磁曲線との交点である動作点での磁束密度はＢｄで示される。ネオジム磁石は保磁力Ｈｃｊが大きいほど耐熱性があり、温度が上昇するほど保磁力Ｈｃｊと残留磁束密度Ｂｒ（あるいは残留磁気分極Ｊｒ）が低下する。
【００３０】
埋込磁石同期電動機の小型化にはエネルギー積の大きいネオジム磁石が有利であるが、ハイブリッド自動車などに用いるためには耐熱性の向上が必要である。高い耐熱性を持たせるために、重希土類元素のジスプロシウムが添加される。
【００３１】
しかし、ジスプロシウムの高価格や入手の制約、および残留磁束密度Ｂｒ低下の理由で、ジスプロシウム含有率を低減するためには、ネオジム磁石に加わる着磁磁化と反対方向の電機子電流による逆極性磁場を小さくし、ネオジム磁石の温度上昇を抑制することが必要になる。
【００３２】
埋込磁石同期電動機はインバータでＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ  Ｗｉｄｔｈ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）駆動される。電気角周期の逆数に対して相対的に高いキャリア周波数で電流ベクトル制御の自由度の大きい正弦波電流駆動が一般的に用いられる。ネオジム磁石に加わる電機子電流による磁場は、電機子巻線のインダクタンスや抵抗などの影響でキャリア周波数以外の周波数成分を含むが、１ｋＨｚ近傍を主な成分とするＰＷＭキャリア周波数を基本波として有している。
【００３３】
磁気抵抗が最も大きい方向で、永久磁石によって発生する巻線鎖交磁束の方向をｄ軸に、磁気抵抗が最小で、ｄ軸と電気角で直交する磁極間の方向をｑ軸にすることで、固定子に静止していた３相巻線は、永久磁石が埋設された回転子に同期して回転する２つのｄ、ｑ巻線に変換されて静止しているのと等価となり、それぞれ抵抗とインダクタンスを有する電気的に独立した２つの直流回路とみなされることで、電流ベクトル制御が容易になる。
【００３４】
電機子巻線に流れる電流による銅損は、高負荷で運転する場合には全体の損失における比率が大きくなる。低負荷では渦電流損を主とした鉄損の比率が大きい。鉄損は、固定子においては固定子歯で多く生じ、回転子においては回転子コアのｑ軸磁路における断面積の小さい部分で多く生じる。電機子電流のｄ軸成分（ｄ軸電流）による高い周波数成分の逆極性磁場で固有抵抗の小さいネオジム磁石にも渦電流損が生じる。
【００３５】
埋込磁石同期電動機は、永久磁石と電機子電流による電機子鎖交磁束の変化によってエネルギー変換が行われることによるマグネットトルクと、磁気的な突極性で回転位置による電機子巻線のインダクタンスの変化で空隙に貯えられる磁気エネルギーが機械エネルギーに変換されることによるリラクタンストルクを、電機子電流でベクトル制御することでトルクや効率を選択できる。
【００３６】
埋込磁石同期電動機の小型化と高回転速度に対応するために、エネルギー積の大きいネオジム磁石が用いられ、回転子の中に埋め込まれる。固定子は外側から容易に冷却することができるが、回転子は回転軸に支えられているだけで、エアギャップを相対的に高速流動する空気を介して回転子と固定子の間で熱が伝導されるが、回転子コアは層間絶縁で積層方向の熱伝導はよくないため、ネオジム磁石の温度を固定子歯の温度より低くすることは簡単ではない。
【００３７】
電機子巻線での銅損や固定子歯などでの鉄損による固定子での熱発生量は、回転子における鉄損による熱発生量よりかなり大きい。また、固定子は熱容量も大きい。ネオジム磁石を効率的に冷却するためには、固定子とほぼ独立に、ネオジム磁石あるいは近傍を温度の低い空気で冷却するのが効果的である。
【００３８】
防水、防塵、および防音を図るには、固定子や回転子をケースで外気から閉じる必要がある。閉じたケースの中でネオジム磁石を効率的に冷却するには、空気がネオジム磁石周辺の貫通孔と回転子の内側を循環され、空気の熱を集中的に熱交換できる熱交換部を途中に設ける必要がある。
【００３９】
以下、本発明の埋込磁石同期電動機の回転子冷却構成について説明する。図１から図３は本発明の実施例１を、図４から図６は実施例２を、図７は従来のネオジム磁石の温度による磁気特性を示す図である。異なる図において、対応する部分は原則的に同じ符号で示される。
【実施例１】
【００４０】
図１は、本発明の埋込磁石同期電動機の回転子冷却構成の実施例１を断面で示すものである。固定子１１と回転子１２は、防水、防塵、および防音のため、外気から閉じられたケース１３の中に収められる。ハイブリッド自動車などの用途においては、水や埃の浸入、および回転時の騒音漏を防ぐことが求められる。
【００４１】
固定子１１は、ケース１３の外部から広い面積で、あるいは直接に油を当てられて容易に冷やされる。しかし、回転子１２は回転軸に支持されるだけで、積層方向の熱伝導も良くなく、エアギャップを間に介しての熱伝導が主となるため、ネオジム磁石１６の温度が固定子１１の内側の温度より低くされ難い。
【００４２】
回転子１２は、回転子ハブ１４に嵌合された回転子コア１５にネオジム磁石１６が埋め込まれて構成され、回転軸１７で回転自在に支持される。回転子コア１５の各磁極におけるネオジム磁石１６の周辺に積層方向に貫通した貫通孔１８が形成される。主たる回転方向に開口部１９を有する空気取入れ部２０がエンドプレート２１に設けられ、貫通孔１８を覆う位置で回転子１２の一方の端面２２に固定される。
【００４３】
回転子１２の回転にともない、空気取入れ部２０の開口部１９から取り込まれた空気は貫通孔１８へ強制的に流し込まれる。貫通孔１８を乱流として流れる空気がネオジム磁石１６とその周辺から熱を吸収する。空気取入れ部２０は、開口部１９以外の周辺が回転子１２の一方の端面２２にほぼ接して形成されるため、回転子１２の一方の端面２２に直交する貫通孔１８に入らずに一方の端面２２に沿って逃げる空気量を少なくし、回転速度に応じた空気量が貫通孔１８に流し込まれる。従来の冷却ファンに較べて、不必要に空気を攪拌せずにエネルギー損失が小さく、風切り音も小さくなる。また、空気取入れ部２０の一方の端面２２からの高さが低くても、冷却に必要な空気量が確保される。空気取入れ部２０は、厚いエンドプレートでなく、薄い板材で形成されてもよい。
【００４４】
貫通孔１８で熱を吸収した空気は、回転子１２の他方の端面２３における貫通孔１８の口から排出され、他方の端面２３に近接して対向する熱交換部２４に当たることで熱を放出する。貫通孔１８から排出される空気は回転子１２の回転方向に運動量を有し、回転軸の中心を回転対称中心として、主たる回転方向に外から中心方向に収斂する渦形状の一部で形成される複数のフィン２５との間の溝２７に沿って熱交換部２４の内側方向に流れる。フィン２５に接触する面積が大きく、経路が長くされることで、熱交換部２４と空気の熱交換が効率的に行われる。
【００４５】
回転子１２の他方の端面２３の貫通孔１８の口から排出される空気が回転子１２の外にある固定子１１の方へ流れ難くするため、また、固定子１１の方から回転子１２の方へ空気が入り難くするため、複数のフィン２５の外縁部に円形状の壁面２６がフィン２２の高さ以上にされて配置される。複数のフィン２５の間に作られる溝２７は、外側方向が壁面２６で閉じられ、内側方向は開けられる。
【００４６】
回転子１２の回転で付与された運動量で渦形状のフィン２５に沿って内側方向（中心方向）に流れる空気は、方向転換されても運動量の多くが保たれる。回転子ハブ１４の内側に設けられた還流孔２８の回転軸方向と周方向に対して傾斜した周方向の端面で空気流が強調される。還流孔２８を通過した空気は回転子１２の一方の端面２２に戻される。空気は、熱交換部２４を介して貫通孔１８と回転子１２の内側を循環されることになる。
【００４７】
埋込磁石同期電動機を収めるケース１３に較べて小さく、回転軸１７を中心とした円環状の熱交換部２４で効率的な熱交換を可能にするために、熱交換部２４は相対的に低い温度に維持され、熱を早やく他に移動できる構成にされる必要がある。例えば、熱交換部２４と一体化されるケース１３には油路２９が内在される。油路２９での油の温度が高くなる構成の場合には、ケース１３には水冷用の水路が内在されてもよい。あるいは、外気と熱交換する外に突出した複数の放熱フィンを設けてもよい。
【００４８】
熱交換部２４の熱を排熱として無駄にしないで電気エネルギーとして回収するために、ケース１３に熱電変換素子を密着して設けてもよい。熱電変換素子は、物質を熱することで発電を行うゼーベック効果を利用したもので、構造的な制約が少ない。発電効率が向上すれば、埋込磁石同期電動機の排熱対策に寄与する可能性がある。
【００４９】
防水、防塵、防音のために閉ざされたケース１３の中で、回転子１２での鉄損による熱発生量より銅損や鉄損による熱発生量が大きく、電機子巻線３０を含む熱容量も大きい固定子１１に殆ど空気を回すことなく、貫通孔１８を通して回転子１２の内側で空気を循環させ、途中に熱交換部２４を設けて集中的に空気と熱交換させることで、冷却し難い回転子１２のみを、特に回転子コア１５に埋め込まれたネオジム磁石１６を効率的に冷やすことができる。熱交換部２４と一体化されたケース１３の部分は、隣接する速度変換機構部３１との境を形成している。油路２９は、速度変換機構部３１の各所に潤滑油を供給する流路の役割も担うことができる。
【００５０】
熱交換部２４で熱を放出した空気は、回転子１２の内側の還流孔２８を通過して回転子ハブ１４の内側を流れることで、回転子コア１５からの熱を内側の広い面積の部分から奪い、間接的にネオジム磁石１６の温度上昇を抑制する。
【００５１】
ハイブリッド自動車などに組み込まれる埋込磁石同期電動機は、容積が小さいことが求められる。特に、回転軸１７の方向の長さが短いことが必要である。回転子１２の一方の端面２２に固定される空気取入れ部２０は、開口部１９以外の周辺が回転子コア１５とほぼ接する状態に形成されるため、回転子コア１５から１０ｍｍ（ミリメートル）以下の高さでも多くの空気を貫通孔１８に流し込むことができる。
【００５２】
固定子１１に巻かれた電機子巻線３０のコイルエンドは、特に分布巻の場合、固定子１１の軸方向の端から大きくはみ出すため、空気取入れ部２０の高さが１０ｍｍ以下の場合にはほとんど問題にならない。また、回転子１２の他方の端面２３に近接して対向する熱交換部２４に配置される複数のフィン２５は、高さ１０ｍｍほどの場合には邪魔にならない。
【００５３】
図２は、実施例１に用いる埋込磁石同期電動機の一部拡大した端面を示す。固定子１１とエアギャップ３２を間に介して配置される回転子１２が、回転子コア１５と回転子ハブ１４の一部で示される。各磁極に浅いV字状配置に埋め込まれたネオジム磁石３３、１６の周辺に、磁石埋設用孔３４、３５から連続して径方向に延長された磁束短絡防止孔３６、３７が回転子コア１５に穿設され、また複数の隙間３８、３９、４０、および４１、４２、４３がネオジム磁石３３、１６と回転子コア１５の間に形成される。磁束短絡防止孔３６、３７と、隙間３８から４３が積層されることで複数の貫通孔に形成される。図１における貫通孔１８は、磁束短絡防止孔３７の部分で形成される貫通孔に対応する。
【００５４】
磁束短絡防止孔３６、３７と、隙間３８、３９、４０、および４１、４２、４３は、磁性鋼板を打ち抜く際に形成されるものである。隙間３８から４３は、角部を有するネオジム磁石３３、１６を埋め込む磁石埋設用孔３４、３５を磁性鋼板に打ち抜く場合の制約を考慮した結果として生じるものである。
【００５５】
回転子コア１５の磁気的短絡を一部で断つために形成される磁束短絡防止孔３６、３７は、固定子１１の複数の固定子歯４４に分布巻された電機子巻線に流れる電機子電流による逆極性磁場にともなう磁束を分岐、漏洩させることに使われて、ネオジム磁石３３、１６に加わる逆極性磁場を低減する。磁束短絡防止孔３６、３７での磁束の漏洩は、周波数に関係なく、熱損失を伴わない。固有抵抗の低いネオジム磁石３３、１６に加わる逆極性磁場が小さくなると、逆極性磁場を打ち消すようにネオジム磁石３３、１６に流れる渦電流が小さく、ジュール発熱によるネオジム磁石３３、１６での温度上昇が抑制される。
【００５６】
回転子コア１５に埋め込まれたネオジム磁石３３、１６の温度上昇をさらに抑えるには、磁束短絡防止孔３６、３７や隙間３８から４３から成る複数の貫通孔で、ネオジム磁石３３、１６に直接、あるいは周辺は温度の低い空気を乱流にして冷やすことによる効果は大きい。ネオジム磁石３３、１６の内方向磁極面と磁石埋設用孔３４、３５の間には軟磁性ばね板４５、４６が配置され、いずれの側にも接触して熱伝導できるようにされ、軟磁性ばね板自身の厚さによる磁気的なギャップが大きくならない。
【００５７】
図３は、実施例１の一部構成図で、熱交換部と回転子を示すものである。回転子１２の他方の端面２３に対向して、一部だけで示されたケース１３と一体化された熱交換部２４が配置される。回転子１２と熱交換部２４は、熱交換部２４の全体を示すため、回転軸方向に平行移動されて実際より離されている。
【００５８】
熱交換部２４は、回転軸の中心を回転対称中心として、主たる回転方向に外から中心方向に収斂する渦形状の一部で形成される複数のフィン２５を有し、回転子コア１５における複数の貫通孔４７、４８などの口から排出される空気は回転方向に運動量を有すことで、複数のフィン２５の間の溝２７に沿って内側方向（中心方向）に流入する。外縁部に円形状の壁面２６が配置されることで、回転子１２の径より外側の固定子の方へ、あるいは固定子の方から流れる空気の量を少なくする。円形状の壁面２６は、回転子コア１５と接触しない程度にフィン２５の高さ以上にされるとよい。壁面２６の内壁面が溝２７の底部とＲ曲面で連結されると、空気流が滑らかになる。
【００５９】
熱交換部２４の内側に流入した空気は、複数の貫通孔４７、４８などで排出される時に回転方向に有していた運動量の多くが保存され、方向転換されても流速を有する。熱交換部２４の内側で方向を変えた空気流は、回転子１２の内側である回転子ハブ１４の還流孔でも流れに勢いを付けられることもあり、回転子１２の一方の端面２２の側に戻る。戻った空気の多くは、再び空気取入れ部２０から貫通孔４７、４８などを通り、熱交換部２４を介して回転子１２の内側を流れる循環を繰り返す。
【実施例２】
【００６０】
図４は、本発明の埋込磁石同期電動機の回転子冷却構成の実施例２を断面で示すものである。固定子４９と回転子５０はケース５１、５２の中に外気から閉じられて、収められる。回転子コア５３は、磁性鋼板５４と非強磁性金属板５５が積層されて形成される。積層厚の比率が大きい磁性鋼板５４で回転子コア５３の磁束経路を形成し、積層厚の比率が小さい非強磁性金属板５５でネオジム磁石５６が高い引張強度を有する形状にされることで回転子コア５３全体の耐遠心力強度が大きくされる。
【００６１】
回転子コア５３の各磁極におけるネオジム磁石５６の外方向磁極面に対向する磁極頭部コア５７に穿設された孔で積層方向に貫通した貫通孔５８が形成される。主たる回転方向に開口部５９を有する空気取入れ部６０がエンドプレート６１に設けられ、貫通孔５８を覆う位置で回転子コア５３に固定される。空気取入れ部は、エンドプレートとは別に、薄い板材で形成されてもよい。
【００６２】
回転子５０の回転にともない、空気取入れ部６０の開口部５９から取り込まれた空気は貫通孔５８へ強制的に流し込まれる。貫通孔５８に乱流で流れる空気は、ネオジム磁石５６の周辺から熱を吸収する。空気取入れ部６０は、開口部５９以外の周辺が回転子コア５３とほぼ接するように形成されるため、回転子５０の回転速度に応じた空気量を貫通孔５８に取り込むことができる。
【００６３】
貫通孔５８で熱を吸収した空気は、回転子５０の他方の端面６３における貫通孔５８の口から排出され、回転子５０の他方の端面６３に近接して対向する熱交換部６４に当たることで熱を放出する。回転子５０の回転方向に運動量を有する空気は、回転軸の中心を回転対称中心として主たる回転方向に外から中心方向に収斂する渦形状の一部で形成される複数のフィン６５と溝６６に沿って熱交換部６４の内側方向に流れる。空気がフィン６５に接触する面積が大きく、経路が長くされることで、空気の熱交換部６４への熱放出が効率的に行われる。
【００６４】
回転子５０の他方の端面６３の貫通孔５８の口から排出される空気が、回転子５０の外にある固定子４９の方へ、または固定子４９の方から空気が流れにくくするため、複数のフィン６５の外縁部に円形状に設けられた壁面６７の高さがフィン６５の高さ以上にされる。複数のフィン６５で作られる溝６６は、外縁部が壁面６７で閉じられ、内側方向は開けられる。
【００６５】
回転子５０の回転で付与された運動量でフィン６５の渦形状に沿って内側方向（中心方向）に流れる空気は、方向転換されても運動量の多くが保たれ、内側に設けられた還流孔６８の回転軸方向と周方向に対して傾斜した周方向の端面で空気流が強調される。還流孔６８を通過した空気は回転子５０の一方の端面６２側に戻され、ケース５２と一体化されて一方の端面６２に対向して配置された熱交換部６９に当たることで熱交換を行う。回転子５０の一方の端面６２の側に戻った空気の多くは、空気取入れ部６０から貫通孔５８を通り回転子５０の内側を繰り返し循環される。
【００６６】
熱交換部６９は、回転軸の中心を回転対称中心として主たる回転方向に中心から外方向に発散する渦形状の一部で形成される複数のフィン７０と溝７１を有す。空気がフィン７０と接触する面積が大きく、経路が長くされることで、熱交換部６９での熱交換が効率的に行われる。
【００６７】
回転子５０の一方の端面６２に対向する熱交換部６９は、回転軸を中心とする円環状に形成され、ケース５２の面積に較べて相対的に小さい面積でも熱交換が効率的になされるように、熱交換部６９は相対的に低い温度に維持され、熱を早やかに外に移動できる構成にされる必要がある。熱交換部６９と一体化されるケース５２は、外に突出した複数の放熱フィン７２が形成される。あるいは、ケース５２に熱的に密着した熱電変換素子が設けられてもよい。当然ながら水冷や液冷の部分を設けてもよい。
【００６８】
防水、防塵、防音のために閉じられたケース５１、５２の中で、回転子５０での鉄損の熱発生量に較べて、固定子における銅損や鉄損による熱発生量や電機子巻線７３を含む全体の熱容量が大きいため、固定子４９に空気を殆ど循環させることなく、貫通孔５８を通して回転子５０の内側で空気を循環させて、熱交換部６４、６９を途中に設けることで、冷却しにくい回転子５０を、特に回転子コア５３に埋め込まれたネオジム磁石５６を効率的に冷やすことができる。固定子はケースの外から、あるいは油の噴流を当てるなどの方法で冷やされる必要がある。
【００６９】
図５は、実施例２に用いる埋込磁石同期電動機の端面の一部を拡大して示す。回転子５０の各磁極にV字状配置に埋め込まれたネオジム磁石５６、７４の外方向磁極面に対向する磁極頭部コア５７の中央に比較的大きい面積で孔７５が穿設されて積層方向に重ねられることで、図４の貫通孔５８が形成される。
【００７０】
磁気的短絡を一部で断つために、磁石埋込用孔７６、７７から連続して径方向に延長された磁束短絡防止孔７８、７９が磁性鋼板５４のみに穿設され、磁性鋼板５４に隠された非強磁性金属板５５には穿設されないため、磁性鋼板５４での磁束短絡防止孔７８、７９は、非強磁性金属板５５で遮られて積層方向に貫通した貫通孔が形成されない。回転子コア５３と、ネオジム磁石５６、７４の磁極面の間の隙間をなくす打ち抜き加工が容易で、隙間による貫通孔はほとんどできない。貫通孔を設けるには、磁性鋼板５４と非強磁性金属板５５に共通に相対的に大きい穴７５を穿設して積層する。
【００７１】
磁束短絡防止孔７８、７９で、電機子電流による逆極性磁場にともなう磁束を分岐、漏洩することで、ネオジム磁石５６、７４に加わる逆極性磁場を低減する。磁束短絡防止孔７８、７９での磁束の漏洩は、周波数に関係なく、熱損失を伴わない。固有抵抗の低いネオジム磁石５６、７４に加わる電機子電流による逆極性磁場が小さくなると、逆極性磁場を打ち消すように流れる渦電流が小さくなり、ジュール発熱による温度上昇が抑制される。
【００７２】
磁極頭部コア５７で比較的大きい断面積で穿設される孔７５が積層されて形成される図４の貫通孔５８に、相対的に低い温度の空気を乱流として流すことで、ネオジム磁石５６、７４の周辺から熱をとり、ネオジム磁石５６、７４の温度上昇をさらに抑えることが可能になる。回転時に、ネオジム磁石５６、７４と磁極頭部コア５７が熱的に密着していることが前提になる。必要に応じて、ネオジム磁石５６、７４の内方向磁極面と磁石埋込用孔７６、７７の間には軟磁性ばね板８０、８１が配置される。
【００７３】
図６は実施例２の一部構成図で、図４での熱交換部６９と回転子５０を示すものである。回転子５０の一方の端面６２に対向して、一部だけで示されたケース５２と一体化された熱交換部６９が配置される。熱交換部６９の全体を示すため、回転子５０と熱交換部６９は対向する部分が非平行に展開され、実際より離されている。
【００７４】
熱交換部６９は、回転軸の中心を回転対称中心として回転子５０の主たる回転方向に中心から外方向に発散する渦形状の一部で形成される複数のフィン７０を有し、空気は複数のフィン７０の間の溝７１に沿って内側から外方向に流れる。複数のフィン７０の外縁部に円形状の壁面８２が配置されることで、回転子５０の径より外側の固定子の方へ、あるいは固定子の方から流れる空気を少なくする。壁面８２の高さは、フィン７０の高さ以上にされるとよい。
【００７５】
ハイブリッド自動車などに使用される従来の埋込磁石同期電動機は、摂氏２００度ほどまでの温度環境が想定され、重希土類元素であるジスプロシウムの含有率が８ｗｔ％から１０ｗｔ％で、保磁力Ｈｃｊが２．４ＭＡ／ｍ（３０ｋＯｅ）ほどのネオジム磁石が耐熱性のために用いられている。
【００７６】
図７は、従来のネオジム（焼結）磁石の温度による磁気特性を表す。図７（ａ）では温度変化に伴う保磁力Ｈｃｊ（単位：Ａ／ｍ）の値の変化を、図７（ｂ）は、残留磁束密度Ｂｒ（単位：Ｔ）の値の変化を表す。ジスプロシウムの含有率が、●印は零ｗｔ％、○印は２ｗｔ％、△印は５ｗｔ％、および、＊印は１０ｗｔ％のネオジム磁石での値を示す。Ｂ−Ｈ減磁曲線で示される磁場Ｈ＝０での残留磁束密度Ｂｒは、Ｊ−Ｈ減磁曲線での残留磁気分極Ｊｒと同じ価と単位になる。
【００７７】
保磁力Ｈｃｊに関しては、常温では、＊印のジスプロシウム含有率１０ｗｔ％の保磁力に対して、△印の５ｗｔ％の保磁力は６４パーセント（約２／３）、●印の零ｗｔ％の保磁力は３３％（約１／３）に小さくなる。
【００７８】
残留磁束密度Ｂｒに関しては、常温で、＊印のジスプロシウム含有率１０ｗｔ％の残留磁束密度に対して、△印の５ｗｔ％の残留磁束密度は１５％、また、●印の零ｗｔ％の残留磁束密度は２５％大きくなる。
【００７９】
ネオジム磁石の保磁力Ｈｃｊを大きくする方法として、重希土類元素であるジスプロシウム（Ｄｙ）を添加して焼結するのが一般的である。ジスプロシウムが零ｗｔ％、５ｗｔ％、および、１０ｗｔ％の含有率では、それぞれのネオジム磁石の保磁力は０．８ＭＡ／ｍ（１０ｋＯｅ）、１．６ＭＡ／ｍ（２０ｋＯｅ）、および２．４ＭＡ／ｍ（３０ｋＯｅ）ほどになる。ジスプロシウム含有率が高いほど保磁力は大きくされ、温度が高くなった場合の保磁力の低下率が少なくなる傾向がある。
【００８０】
ネオジム磁石を不可逆減磁させないためには、実施例１と実施例２で示された本発明の埋込磁石同期電動機の回転子冷却構成でネオジム磁石を効率的に冷やし、温度上昇を抑えることでジスプロシウム含有率をある程度低くできる。磁束短絡防止孔で逆極性磁場にともなう磁束を漏洩させることで、ネオジム磁石に加わる逆極性磁場を低減し、ネオジム磁石での渦電流損による温度上昇をさらに抑制して、ジスプロシウム含有率を低くできる。
【００８１】
さらには、結晶粒微細化、粒界面制御などによるネオジム磁石の保持力Ｈｃｊが１．６ＭＡ／ｍ（２０ｋＯｅ）ほどに向上することを前提にすると、ジスプロシウム含有率をより低くしたネオジム磁石をハイブリッド自動車などの埋込磁石同期電動機に用いることが可能になる。
【００８２】
ネオジム磁石に加わる逆極性磁場を小さくするためにネオジム磁石の磁束が磁束短絡防止孔などで漏洩される分は、ジスプロシウムの含有率を低くして残留磁束密度Ｂｒを大きくし、温度上昇を抑制することで残留磁束密度Ｂｒの低下を抑制することで、マグネットトルクを大きめに維持することができる。
【産業上の利用可能性】
【００８３】
ジスプロシウム含有率の低いネオジム磁石を搭載してケースで閉じられた埋込磁石同期電動機をハイブリッド自動車用途などに提供する。
【００８４】
ジスプロシウム含有率の低減と温度上昇の抑制で、マグネットトルクを大きめに維持する埋込磁石同期電動機を提供する。
【符号の説明】
【００８５】
１１、４９    固定子
１２、５０    回転子
１３、５１、５２    ケース
１４    回転子ハブ
１５、５３    回転子コア
１６、３３、５６、７４    ネオジム磁石
１７    回転軸
１８、４７、４８、５８    貫通孔
１９、５９    開口部
２０、６０    空気取入れ部
２１、６１    エンドプレート
２２、６２    一方の端面
２３、６３    他方の端面
２４、６４、６９    熱交換部
２５、６５、７０    フィン
２６、６７、８２    壁面
２７、６６、７１    溝
２８、６８    還流孔
２９    油路
３０、７３    電機子巻線
３２    エアギャップ
３４、３５    磁石埋設用孔
３６、３７、７８、７９    磁束短絡防止孔
３８、３９、４０、４１、４２、４３    隙間
４４    固定子歯
４５、４６    軟磁性ばね板
５７    磁極頭部コア
５４    磁性鋼板
５５    非強磁性金属板
３４、３５、７６、７７    磁石埋設用孔
４５、４６、８０、８１    軟磁性ばね板
７２    外フィン
【図１】
2014087077.tif 000003
【図２】
2014087077.tif 000004
【図３】
2014087077.tif 000005
【図４】
2014087077.tif 000006
【図５】
2014087077.tif 000007
【図６】
2014087077.tif 000008
【図７】
2014087077.tif 000009