(57)【要約】【課題】  回転子の内周側と比べて、固定子の回転磁界による逆磁界が大きく減磁し易い回転子の外周側の保磁力を高めるとともに、保磁力材の使用量を低減可能な永久磁石埋込型電動機を提供する。【解決手段】  本発明の永久磁石埋込型電動機は、周方向（矢印Ａ１方向）に所定ピッチで複数の磁石挿入孔２１が形成されている回転子鉄心２と、複数の磁石挿入孔２１にそれぞれ挿入される永久磁石３と、を有する回転子１を備えている。各永久磁石３は、周方向（矢印Ａ１方向）に２層に形成されており、２層の永久磁石３のうち回転子１の外周側に配される永久磁石３を第１永久磁石３１とし回転子１の内周側に配される永久磁石３を第２永久磁石３２とするとき、第１永久磁石３１の保磁力材の含有量が第２永久磁石３２の保磁力材の含有量と比べて多い。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
周方向に所定ピッチで複数の磁石挿入孔が形成されている回転子鉄心と、前記複数の磁石挿入孔にそれぞれ挿入される永久磁石と、を有する回転子を備える永久磁石埋込型電動機であって、
各前記永久磁石は、前記周方向に２層に形成されており、
前記２層の永久磁石のうち前記回転子の外周側に配される永久磁石を第１永久磁石とし前記回転子の内周側に配される永久磁石を第２永久磁石とするとき、前記第１永久磁石の保磁力材の含有量が前記第２永久磁石の保磁力材の含有量と比べて多いことを特徴とする永久磁石埋込型電動機。
【請求項２】
前記第１永久磁石の前記保磁力材は粒界拡散されており、
前記第１永久磁石の前記回転子における径方向厚みは、前記第２永久磁石の前記回転子における径方向厚みと比べて薄く形成されている請求項１に記載の永久磁石埋込型電動機。
【請求項３】
前記第１永久磁石の前記保磁力材は、完全粒界拡散されている請求項１または２に記載の永久磁石埋込型電動機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転子鉄心に永久磁石が埋め込まれている永久磁石埋込型電動機に関する。
【背景技術】
【０００２】
永久磁石埋込型電動機の一例として、例えば、特許文献１に記載の発明が挙げられる。この発明では、モータの回転子鉄心にブロック体の希土類磁石が挿入されており、希土類磁石は、フッ素化合物（鉄またはコバルトと、フッ素との化合物）濃度が他の部分よりも高い部分を有している。そして、比較的大きな逆磁界が印加される部分にフッ化物処理を施すことにより、フッ化物処理が施されていない部分と比べて、保磁力を高めようとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−０２９２９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載の発明では、ブロック体の磁石を部分的にフッ化物処理しているので、フッ化物処理が施された部分のフッ素の浸透度を正確に把握することは容易でない。そのため、フッ化物処理が施された部分の保磁力を正確に把握することは困難であり、フッ化物処理が施されていない部分と比べて、フッ化物処理が施された部分の保磁力がどの程度向上したか否かは不明である。
【０００５】
また、逆磁界に対する減磁耐力を高めるために、希土類磁石の径方向厚みを増加させる手法も考えられる。しかしながら、この方法では、稀少な保磁力材の使用量が増加して、コストアップを招来する。
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑みて為されたものであり、回転子の内周側と比べて、固定子の回転磁界による逆磁界が大きく減磁し易い回転子の外周側の保磁力を高めるとともに、保磁力材の使用量を低減可能な永久磁石埋込型電動機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】
【０００７】
請求項１に記載の永久磁石埋込型電動機は、周方向に所定ピッチで複数の磁石挿入孔が形成されている回転子鉄心と、前記複数の磁石挿入孔にそれぞれ挿入される永久磁石と、を有する回転子を備える永久磁石埋込型電動機であって、各前記永久磁石は、前記周方向に２層に形成されており、前記２層の永久磁石のうち前記回転子の外周側に配される永久磁石を第１永久磁石とし前記回転子の内周側に配される永久磁石を第２永久磁石とするとき、前記第１永久磁石の保磁力材の含有量が前記第２永久磁石の保磁力材の含有量と比べて多いことを特徴とする。
【０００８】
請求項２に記載の永久磁石埋込型電動機は、請求項１に記載の永久磁石埋込型電動機において、前記第１永久磁石の前記保磁力材は粒界拡散されており、前記第１永久磁石の前記回転子における径方向厚みは、前記第２永久磁石の前記回転子における径方向厚みと比べて薄く形成されている。
【０００９】
請求項３に記載の永久磁石埋込型電動機は、請求項１または２に記載の永久磁石埋込型電動機において、前記第１永久磁石の前記保磁力材は、完全粒界拡散されている。
【発明の効果】
【００１０】
請求項１に記載の永久磁石埋込型電動機によれば、永久磁石は、周方向に２層に形成されており、回転子の外周側に配される第１永久磁石の保磁力材の含有量が回転子の内周側に配される第２永久磁石の保磁力材の含有量と比べて多い。そのため、回転子の内周側と比べて、固定子の回転磁界による逆磁界が大きく減磁し易い回転子の外周側の保磁力を高めることができる。また、回転子の外周側と比べて内周側の逆磁界は小さいので、第１永久磁石の保磁力材の含有量と比べて、第２永久磁石の保磁力材の含有量を低減させることができる。したがって、稀少な保磁力材の使用量を抑制しつつ、必要な保磁力を確保することができる。
【００１１】
請求項２に記載の永久磁石埋込型電動機によれば、第１永久磁石の回転子における径方向厚みは、第２永久磁石の回転子における径方向厚みと比べて薄く形成されている。そのため、第２永久磁石と比べて、第１永久磁石の保磁力材を粒界拡散させることが容易であり、第１永久磁石の磁石表面から磁石内部深くまで保磁力材を粒界拡散させることができる。したがって、第２永久磁石と比べて、第１永久磁石の保磁力を高めることが容易である。
【００１２】
請求項３に記載の永久磁石埋込型電動機によれば、第１永久磁石の保磁力材は完全粒界拡散されているので、回転子の外周側の保磁力を確実に向上させることができる。また、第１永久磁石の保磁力材は完全粒界拡散されているので、第１永久磁石の保磁力を把握することが容易であり、磁束密度や保磁力などの磁気特性を保障することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１実施形態に係り、回転子および固定子の軸方向視一部断面図である。
【図２】第１実施形態に係り、磁束分布の一例を示す説明図である。
【図３】第２実施形態に係り、回転子および固定子の軸方向視一部断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。各実施形態について共通する箇所には共通の符号を付して対応させることにより重複する説明を省略する。なお、各図は概念図であり、細部構造の寸法まで規定するものではない。
【００１５】
（１）第１実施形態
図１は、回転子１および固定子４の軸方向視一部断面図である。本実施形態の永久磁石埋込型電動機は、固定子４と、固定子４に対して回転可能に配される回転子１と、を備えている。同図では、回転子１および固定子４の一部分が模式的に示されており、実際には、回転子１および固定子４は、それぞれ略円筒形状を呈している。なお、回転子１の回転軸を軸芯ＡＸ１とする。本実施形態においては、２０極の永久磁石埋込型電動機である。
【００１６】
＜回転子＞
回転子１は、回転子鉄心２と永久磁石３とを有している。回転子鉄心２は、薄板状の電磁鋼板が軸芯ＡＸ１方向に複数枚積層されて円筒状に形成されている。電磁鋼板は、例えば、ケイ素鋼板を用いることができる。回転子鉄心２の内周側には、図示しない軸部（シャフト）が嵌合されており、軸部は、図示しない筺体に設けられる軸受によって軸支されている。これにより、回転子鉄心２は、周方向（矢印Ａ１方向）に回転可能になっている。
【００１７】
回転子鉄心２の各電磁鋼板には、周方向（矢印Ａ１方向）に所定ピッチで所定磁極分の磁石挿入孔２１が形成されており、各磁石挿入孔２１を軸芯ＡＸ１方向に貫通して、永久磁石３が埋め込まれている。各磁石挿入孔２１は、２層に形成される永久磁石３を挿入可能に、周方向（矢印Ａ１方向）に２列に形成されている。本明細書では、回転子１の外周側に形成される磁石挿入孔２１を第１磁石挿入孔２１１といい、回転子１の内周側に形成される磁石挿入孔２１を第２磁石挿入孔２１２という。
【００１８】
永久磁石３は、直方体形状の永久磁石であり、例えば、ネオジウム磁石（Ｎｄ２Ｆｅ１４ＢなどのＮｄ‐Ｆｅ‐Ｂ系磁石）をはじめとした公知の希土類系焼結磁石を用いることができる。希土類元素は、ネオジムＮｄ以外にも、プラセオジムＰｒ、サマリウムＳｍなどの種々の希土類元素を用いることができ、複数種類の希土類元素を含むこともできる。また、永久磁石３は、改質元素や不可避不純物を含むこともできる。
【００１９】
改質元素には、例えば、永久磁石３の耐熱性の向上に寄与するコバルトＣｏ、ランタンＬａ、保磁力などの磁気特性の向上に寄与するアルミニウムＡｌ、ケイ素ＳｉやチタンＴｉ、バナジウムＶ、クロムＣｒ、マンガンＭｎ、ニッケルＮｉ、銅Ｃｕ、イットリウムＹ、ジルコニウムＺｒ、ニオブＮｂ、モリブデンＭｏ等の遷移元素などが挙げられる。不可避不純物は、製造上除去することが困難な元素であり、例えば、酸素Ｏ、窒素Ｎ、炭素Ｃなどが挙げられる。
【００２０】
永久磁石３は、周方向（矢印Ａ１方向）に２層に形成されている。本明細書では、２層の永久磁石３のうち回転子１の外周側に配される永久磁石３を第１永久磁石３１といい、回転子１の内周側に配される永久磁石３を第２永久磁石３２という。第１永久磁石３１は、第１磁石挿入孔２１１に挿入され、第２永久磁石３２は、第２磁石挿入孔２１２に挿入される。第１永久磁石３１および第２永久磁石３２は、磁化方向が径方向（矢印Ｂ１方向）と同方向になるように、それぞれ着磁されている。
【００２１】
第１永久磁石３１のＮ極側が固定子４側となるように第１永久磁石３１を第１磁石挿入孔２１１に挿入する場合は、第２永久磁石３２のＮ極側が固定子４側となるように第２永久磁石３２を第２磁石挿入孔２１２に挿入する。逆に、第１永久磁石３１のＳ極側が固定子４側となるように第１永久磁石３１を第１磁石挿入孔２１１に挿入する場合は、第２永久磁石３２のＳ極側が固定子４側となるように第２永久磁石３２を第２磁石挿入孔２１２に挿入する。
【００２２】
永久磁石３の固定方法は、特に限定されない。例えば、接着剤によって永久磁石３を回転子鉄心２に固定することができる。また、別途、弾性部材を設けて、弾性部材の付勢力によって、永久磁石３を回転子鉄心２に固定することもできる。例えば、第１永久磁石３１の径方向（矢印Ｂ１方向）内側の面を第１磁石挿入孔２１１の径方向（矢印Ｂ１方向）内側の内面に押圧するように、弾性部材が第１永久磁石３１を径方向（矢印Ｂ１方向）内方に付勢すると良い。第２永久磁石３２についても同様である。これにより、回転子鉄心２および永久磁石３が発熱した場合に、両部材の熱膨張差を吸収することができ、固定部分が剥離することを防止できる。
【００２３】
永久磁石３には、保磁力材が含まれており、第１永久磁石３１の保磁力材の含有量は、第２永久磁石３２の保磁力材の含有量と比べて多くなっている。なお、第２永久磁石３２は、保磁力材の含有量を０とすることもできる。保磁力材は、永久磁石３の保磁力を高める希土類元素であり、例えば、ジスプロシウムＤｙ、テルビウムＴｂなどを用いることができる。保磁力材は、これら以外にも種々の希土類元素を用いることができ、複数種類の希土類元素を含むこともできる。
【００２４】
永久磁石３に保磁力材を含有させる方法は限定されないが、保磁力材を粒界拡散させると好適である。本実施形態では、第１永久磁石３１および第２永久磁石３２は、同種類の保磁力材がそれぞれ粒界拡散されている。また、保磁力材を粒界拡散させる方法は、特に限定されない。例えば、蒸着法、蒸気法、塗布法などの公知の方法を用いることができる。
【００２５】
蒸着法では、保磁力材をターゲットにしてスパッタリングを行い、保磁力材を磁石内部に粒界拡散させる。蒸気法では、加熱炉内で磁石近傍に保磁力材を配して、磁石と保磁力材とを加熱する。そして、保磁力材の蒸気中に磁石を直接さらすことにより、保磁力材を磁石内部に粒界拡散させる。塗布法では、磁石表面に保磁力材を塗布して加熱することにより、保磁力材を磁石内部に粒界拡散させる。なお、例えば、加熱時の温度、加熱時間などを調整することにより、保磁力材を粒界拡散させる深度を調整することができる。
【００２６】
第１永久磁石３１の回転子１における径方向厚みｔ１（以下、単に、第１永久磁石３１の径方向厚みｔ１という。）および第２永久磁石３２の回転子１における径方向厚みｔ２（以下、単に、第２永久磁石３２の径方向厚みｔ２という。）は、第１永久磁石３１および第２永久磁石３２がそれぞれ減磁しない厚みに設定されている。例えば、磁界解析によって、第１永久磁石３１および第２永久磁石３２に印加される逆磁界を推定し、推定された逆磁界に対して保磁力が大きくなるように、第１永久磁石３１の径方向厚みｔ１および第２永久磁石３２の径方向厚みｔ２を設定する。
【００２７】
第１永久磁石３１の径方向厚みｔ１は、第２永久磁石３２の径方向厚みｔ２と比べて薄く形成されていると好適である。この場合、第２永久磁石３２と比べて、第１永久磁石３１の保磁力材を粒界拡散させることが容易であり、第１永久磁石３１の磁石表面から磁石内部深くまで保磁力材を粒界拡散させることができる。したがって、第２永久磁石３２と比べて、第１永久磁石３１の保磁力を高めることが容易である。
【００２８】
特に、第１永久磁石３１の径方向厚みｔ１は、３．０ｍｍ以下にすると好適である。これにより、第１永久磁石３１の保磁力材を完全粒界拡散させることができる。完全粒界拡散とは、第１永久磁石３１の磁石表面から磁石中心部まで保磁力材が粒界拡散されている状態をいう。第１永久磁石３１の径方向厚みｔ１が薄すぎると必要な保磁力材を粒界拡散させることができなくなる。一方、第１永久磁石３１の径方向厚みｔ１が３．０ｍｍより厚くなると保磁力材が磁石中心部まで粒界拡散しなくなる。第１永久磁石３１の径方向厚みｔ１は、２．５ｍｍ〜３．０ｍｍであると好適である。本実施形態においては、第１永久磁石３１の径方向厚みｔ１は、２．５ｍｍとし、第２永久磁石３２の径方向厚みｔ２は、３．０ｍｍとしている。
【００２９】
また、第１永久磁石３１の周方向（矢印Ａ１方向）の長さを第１周方向長Ｌ１とし、第２永久磁石３２の周方向（矢印Ａ１方向）の長さを第２周方向長Ｌ２とするとき、第１周方向長Ｌ１および第２周方向長Ｌ２ならびに保磁力材の種類に関わらず、第１永久磁石３１の径方向厚みｔ１を３．０ｍｍ以下にすることにより、第１永久磁石３１の保磁力材を完全粒界拡散させることができる。なお、本実施形態においては、第１周方向長Ｌ１および第２周方向長Ｌ２は、いずれも２６ｍｍとしている。
【００３０】
保磁力材が完全粒界拡散しているか否かは、例えば、永久磁石３を電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）で分析し、得られたＥＰＭＡ像を観察することによって判定することができる。
【００３１】
本実施形態では、第１永久磁石３１の保磁力材は完全粒界拡散されているので、回転子１の外周側の保磁力を確実に向上させることができる。また、第１永久磁石３１の保磁力材は完全粒界拡散されているので、第１永久磁石３１の保磁力を把握することが容易であり、磁束密度や保磁力などの磁気特性を保障することができる。
【００３２】
＜固定子＞
固定子４は、固定子鉄心５と、固定子巻線６とを有している。固定子鉄心５は、薄板状の電磁鋼板が軸芯ＡＸ１方向に複数枚積層されて形成されている。電磁鋼板は、例えば、ケイ素鋼板を用いることができる。固定子鉄心５は、図示しない略円筒状の筺体の内側に配設されている。固定子鉄心５は、周方向（矢印Ａ１方向）に延在する継鉄部５１と、継鉄部５１の内周面から径方向（矢印Ｂ１方向）内側に突出する複数の磁極歯部５２と、を有している。各磁極歯部５２は、周方向（矢印Ａ１方向）に所定間隔離間して配されている。
【００３３】
固定子巻線６は、３相巻線の導体表面がエナメルなどの絶縁層で被覆されている。固定子巻線６は、各磁極歯部５２間のスロット部に分布巻により巻回しされており、固定子巻線６は、Ｙ結線されている。固定子巻線６には、交流電圧が印加され、これにより、固定子４に回転磁界が発生する。固定子巻線６の断面形状は、特に限定されるものではなく、任意の断面形状とすることができる。例えば、固定子巻線６は、断面円形状の丸線、断面多角形状の角線などの種々の断面形状の巻線を用いることができる。また、複数の巻線素線を組み合わせたものを用いることもできる。なお、固定子巻線６は、集中巻やΔ結線とすることもできる。
【００３４】
＜まとめ＞
図２は、磁束分布の一例を示す説明図である。同図は、図１に示す永久磁石埋込型電動機の磁束分布を示している。磁束分布は、例えば、磁界解析によって導出することができる。図２の破線で示す回転子１の外周側部分Ｇ１は、回転子１の内周側と比べて、固定子４の回転磁界による逆磁界が大きい。そのため、永久磁石３は減磁し易い。
【００３５】
本実施形態では、永久磁石３は、周方向（矢印Ａ１方向）に２層に形成されており、回転子１の外周側に配される第１永久磁石３１の保磁力材の含有量が回転子１の内周側に配される第２永久磁石３２の保磁力材の含有量と比べて多い。そのため、回転子１の内周側と比べて、固定子４の回転磁界による逆磁界が大きく減磁し易い回転子１の外周側の保磁力を高めることができる。また、回転子１の外周側と比べて内周側の逆磁界は小さいので、第１永久磁石３１の保磁力材の含有量と比べて、第２永久磁石３２の保磁力材の含有量を低減させることができる。したがって、稀少な保磁力材の使用量を抑制しつつ、必要な保磁力を確保することができる。
【００３６】
（２）第２実施形態
本実施形態は、第１実施形態と比べて、磁石挿入孔２１の形状および永久磁石３の挿入方法が異なる。それ以外の永久磁石３の組成、形状、保磁力材の含有量、保磁力材の拡散方法などは、第１実施形態と同様である。第１実施形態と共通する箇所には共通の符号を付して対応させることにより重複する説明を省略する。
【００３７】
図３は、回転子１および固定子４の軸方向視一部断面図である。本実施形態では、磁石挿入孔２１は、周方向（矢印Ａ１方向）に１列に形成されている。磁石挿入孔２１の径方向（矢印Ｂ１方向）長は、第１実施形態における第１磁石挿入孔２１１の径方向（矢印Ｂ１方向）長と、第２磁石挿入孔２１２の径方向（矢印Ｂ１方向）長とを加算した長さになっている。径方向（矢印Ｂ１方向）に隣接する第１永久磁石３１および第２永久磁石３２は、例えば、接着剤で固定されて、磁石挿入孔２１に挿入され固定されている。本実施形態においても、第１実施形態で既述の効果と同様の効果を得ることができる。
【００３８】
（３）その他
本発明は上記し且つ図面に示した実施形態のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施することができる。例えば、１磁極当り２つの永久磁石を設けて、略Ｖ字形状に配設することもできる。つまり、軸方向視において、２つの永久磁石を回転子１の軸芯ＡＸ１から固定子４側に向かって広がる略Ｖ字形状に配設することもできる。
【００３９】
この場合、２つの永久磁石は、それぞれ２層に形成する。回転子１の外周側に配される永久磁石は、第１実施形態および第２実施形態における第１永久磁石３１に相当する。回転子１の内周側に配される永久磁石は、第１実施形態および第２実施形態における第２永久磁石３２に相当する。この場合においても、第１実施形態で既述の効果と同様の効果を得ることができる。
【００４０】
本発明の永久磁石埋込型電動機は、駆動時の逆磁界に対する減磁耐力が高く、かつ、高トルクを得ることができるので、例えば、電気自動車やハイブリッド自動車などの駆動用電動機として用いることができる。また、これら以外にも、サーボモータ、コンプレッサ用モータなど産業用機器の各種電動機として広く用いることができる。
【符号の説明】
【００４１】
１：回転子、
２：回転子鉄心、２１：磁石挿入孔、
３：永久磁石、
３１：第１永久磁石、３２：第２永久磁石、
ｔ１：第１永久磁石３１の径方向厚み、
ｔ２：第２永久磁石３２の径方向厚み
【図１】
2014072924.tif 000003
【図２】
2014072924.tif 000004
【図３】
2014072924.tif 000005