(57)【要約】【課題】永久磁石とともに感温磁性材料を配置したロータを備えたモータにおいて、高温域でのモータ最大トルクの変動幅を緩和することで、高温域でのモータの運転効率をより改善できるようにしたモータを提供する。【解決手段】コイル１３を備えるステータ１０と、永久磁石２３を備えるロータ２０とからなるモータ１において、ロータ２０は、永久磁石２３のコイル１３に面する側に、キュリー温度Ｔｃがそれぞれ異なる２層以上の感温磁性材料からなる感温磁性材料積層体２４を備える。【選択図】図１
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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と、永久磁石を備えるロータとからなるモータであって、
前記ロータは、前記永久磁石の少なくとも前記コイルに面する側に、２層以上の感温磁性材料の層を備え、各層を構成する感温磁性材料はキュリー温度がそれぞれ異な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】
ネオジウム系磁石を永久磁石として有するモータ用ロータおよびモータが特許文献１に記載されている。ネオジウム系磁石は高磁束密度、高保磁力な材料であるが、高温で保磁力が低下するために、重希土類金属であるＤｙやＴｂを添加して高温での保磁力を確保している。しかし、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。
【０００３】
ＤｙやＴｂを添加しない材料からなる永久磁石を使用するモータも存在する。通常、モータは、モータの回転速度が速い場合に、ロータから発生している磁束により、ステータ側のコイルではその磁束変化により逆起電力が発生する。このような逆起電力が発生すると、エンジン主体で高速走行する場合、エンジンの負荷となり、高速燃費が悪くなる。そのためステータから、磁石の磁束を低減させるために、磁石回転と同期させて、逆の磁界を掛けて磁石の磁束を少なくすることが行われる。これを「弱め界磁」という。このような弱め界磁は電力損失(銅損)の増加、モータ発熱等の原因となる恐れがある。それを回避することのできるモータが特許文献２に記載されている。
【０００４】
特許文献２では、ロータに感温磁性材料を備えるようにしている。モータの回転速度が速い場合に、ロータの温度が上昇するため、感温磁性材料の温度が上昇して透磁率が減少する。感温磁性材料の透磁率が減少することで、ステータのコイルにて交番する永久磁石の磁束が少なくなる。そのため、逆起電力が小さくなり、大電力の弱め界磁電力を印加しなくても、ステータのコイルにおける誘起電力が小さくなるため、ステータにおける発熱が抑制される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１７−１５３３５６号公報
【特許文献２】特開２０１７−２８８０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献２に記載のモータでは、高価格であるＤｙやＴｂ使用することなく、モータの高速回転時での運転効率を高めることが期待できる。使用する感温磁性材料としては、液体であるフェリコロイドや、固定である鉄系の合金が記載されている。感温磁性材料の使用態様としては、１種の感温磁性材料を永久磁石の周囲に１つの層として配置する態様が、図示されている。この態様でも、感温磁性材料を用いることで、モータの有効使用温度を、使用しないものよりも高くすることができる。しかし、高温域でのモータ最大トルクが小さくなるのを避けられない。
【０００７】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、永久磁石とともに感温磁性材料を配置したロータを備えたモータにおいて、高温域でのモータ最大トルクの変動幅を緩和することで、高温域でのモータの運転効率をより改善できるようにした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】
【０００８】
本発明によるモータは、コイルを備えるステータと、永久磁石を備えるロータとからなるモータであって、前記ロータは、前記永久磁石の少なくとも前記コイルに面する側に、２層以上の感温磁性材料の層を備え、各層を構成する感温磁性材料はキュリー温度がそれぞれ異なることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によるモータでは、高速回転時に、ステータのコイルにて発生する逆起電力を小さくするためにロータ内に配置する感温磁性材料を２層以上とし、各層を構成する感温磁性材料は、そのキュリー温度がそれぞれ異なるようにしている。それにより、感温磁性材料によって生じる、高温域でのモータ最大トルクの変動幅を段階的に低減できるようになり、高温域でのモータの運転効率をより改善できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】モータの一部を示す横断面図。
【図２】図１のＡ−Ａ線、Ｂ−Ｂ線、Ｃ−Ｃ線に沿う断面図。
【図３】感温磁性材料の温度特性を示すグラフ。
【図４】従来技術での磁石保磁力と磁石にかかる最大逆磁界の関係を示すグラフ（図４（ａ））と、従来技術での磁石保磁力とモータ最大トルクの関係を示すグラフ（図４（ｂ））。
【図５】感温磁性材料が１層であるときの磁石保磁力と磁石にかかる最大逆磁界の関係を示すグラフ（図５（ａ））と、感温磁性材料が１層であるときの磁石保磁力とモータ最大トルクの関係を示すグラフ（図５（ｂ））。
【図６】感温磁性材料が３層であるときの磁石保磁力と磁石にかかる最大逆磁界の関係を示すグラフ（図６（ａ））と、感温磁性材料が３層であるときの磁石保磁力とモータ最大トルクの関係を示すグラフ（図６（ｂ））。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。
【００１２】
図１は、本実施の形態によるモータの一部を示す横断面図である。モータ１は、中空円柱状のステータ１０と、ステータ１０の中空部に回転可能に設けられるロータ２０とにより構成される。ステータ１０には、その中心軸Ｏの方向に貫通する適数個のスロット１１が、ステータ１０の周方向に等間隔に形成されている。隣接するスロット１１の間にティース１２が形成され、ティース１２を巻回するように、コイル１３が設けられる。
【００１３】
図２は、図１のＡ−Ａ線、Ｂ−Ｂ線、Ｃ−Ｃ線に沿う断面図である。図２の断面図に示すように、ロータ２０は電磁鋼板２１の積層体であり、該積層体を中心軸Ｏ方向に貫通して、中心軸方向に延在する直方体形状の空間２２を有している。前記空間２２には、共に直方体形状でありかつ平板状である永久磁石２３と感温磁性材料積層体２４とが径方向に積層された状態で挿入されている。感温磁性材料積層体２４は、キュリー温度Ｔｃが異なる２層以上の平板状の感温磁性材料からなる。この例では、感温磁性材料積層体２４は、第１感温磁性材料層２４ａ、第２感温磁性材料層２４ｂ、第３感温磁性材料層２４ｃの３層構造からなっている。
【００１４】
モータ１において、ステータ１０のコイル１３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１０のコイル１３により発生する回転磁界が、ロータ２０の永久磁石２３に作用することにより、コイル１３と永久磁石２３とが誘引または反発することで回転駆動力が発生し、ロータ２０がステータ１０内で回転する。
【００１５】
本実施の形態において、前記空間２２は、３つの空間２２ａ、２２ｂ、２２ｃ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２０の周方向に等間隔に形成されている。それぞれの空間２２ａ、２２ｂ、２２ｃ内には、前記した直方体形状でありかつ平板状である永久磁石２３と感温磁性材料積層体２４とが、径方向に積層された状態で、かつ、永久磁石２３における前記ステータ１０のコイル１３に面する側に感温磁性材料積層体２４が位置するようにして、挿入されている。
【００１６】
図示の例では、空間２２ａはロータ２０の外周縁近くにおいて、ロータ２０の中心軸Ｏからの径方向に延びる直線に直交する方向に形成されている。空間２２ｂと空間２２ｃは、空間２２ａよりも中心軸Ｏに近い位置において、空間２２ａを両側から挟み込むようにして、ステータ１０側が開いた逆ハ字状（Ｖ字状）に形成されている。そして、各空間２２ａ、２２ｂ、２２ｃ内には、前記したようにして永久磁石２３と感温磁性材料積層体２４との積層体が、それぞれ挿入されている。
【００１７】
好ましくは、感温磁性材料積層体２４は、モータ１の運転時において、ステータ１０と永久磁石２３間での磁束の流れる方向に直交するように永久磁石２３の面に接して、かつステータ１０側に面して配置される。なお、図示しないが、３つの空間２２ａ、２２ｂ、２２ｃは、必須でなく、いずれか１つであってもよく、選択された２つであってもよい。
【００１８】
本実施の形態において、感温磁性材料積層体２４を構成する、第１感温磁性材料層２４ａ、第２感温磁性材料層２４ｂおよび第３感温磁性材料層２４ｃの素材は、限定されないが、好ましくはＭｎ−Ｚｎ系のフェライト磁性材であり、一例として、Ｍｎ・Ｚｎが入ったＦｅ２Ｏ３系酸化物磁性体を挙げることができる。第１感温磁性材料層２４ａ、第２感温磁性材料層２４ｂおよび第３感温磁性材料層２４ｃのキュリー温度Ｔｃは、それぞれ異なっている。なお、この種の材料は市場から入手できる。
【００１９】
前記した感温磁性材料の特性を、図３を参照して説明する。図３は、感温磁性材料の飽和磁束密度（Ｇ）と温度（℃）の関係を示すグラフであり、横軸に温度（℃）、縦軸に飽和磁束密度（Ｇ）を示している。グラフが示すように、感温磁性材料は低温では磁気抵抗が低く磁束が通り易く、高温では磁気抵抗が高く磁束が通り難くなる特性を持つ。例えば、Ｔｃ＝１５０℃の感温磁性材料ａでは、１５０℃以下ではフェリ磁性のため、磁気磁束を通すが、それ以上の高温では常磁性になり空気層と同じ状態となる。それにより磁束を通し難くなる。図３に示すような、キュリー温度Ｔｃが異なる多種類の感温磁性材料（ここでは感温磁性材料ａ〜感温磁性材料ｅの７種）は容易に入手可能である。
【００２０】
本実施の形態によるモータ１では、前記のように、永久磁石２２の表面側（ロータ１０のコイル１３に面した側）に感温磁性材料積層体２４が位置するので、高温になったとき、永久磁石２２に逆磁界が掛からなくなり、減磁し難くなる。また、永久磁石２２からの磁界はステータには流れ難くなるので、自己弱め磁界（自己可変磁界）作用が働くようになる。以下に、詳述する。
【００２１】
ロータを備えたモータにおいて、ロータ２０に配置した永久磁石２３のロータ外径側表面部α点（図２参照）における、逆磁界と磁石保持力の関係、およびモータの最大トルクの関係について、説明する。図４は、従来のモータ、すなわち前記した感温磁性材料を使用しないモータでの、それらの関係を示しており、図４（ａ）は、磁石保磁力（Ｈｃｊ（ｋＡ／ｍ））と磁石にかかる最大逆磁界（Ｈｍａｘ（ｋＡ／ｍ））の関係を、図４（ｂ）は、磁石保磁力とモータ最大トルク（Ｎ・ｍ）の関係を示している。
【００２２】
磁石に掛かる最大逆磁界（Ｈｍａｘ（ｋＡ／ｍ））が永久磁石の保磁力Ｈｃｊより大きくなると磁石が減磁することから、図４（ａ）に示すよう、モータにおける、磁石使用限界温度Ｔｕ１が定まり、図４（ｂ）に示すよう、モータ最大トルク（Ｎ・ｍ）も定まってくる。磁石使用限界温度Ｔｕ１以上では、モータの制御が困難となる。
【００２３】
感温磁性材料を使用することで、磁石使用限界温度Ｔｕ１をより高い温度Ｔｕ２に変えることができる。その状態を、図５を参照して説明する。図５（ａ）は磁石保磁力と磁石にかかる最大逆磁界の関係を、図５（ｂ）は磁石保磁力とモータ最大トルクの関係を示しており、それぞれ図４（ａ）および図４（ｂ）に対応する図である。
【００２４】
ここでは、使用する感温磁性材料は１種類であり、その１層が永久磁石に積層されている。使用する感温磁性材のキュリー温度ＴｃをＴｃｋとすると、Ｔｃｋ以上の温度では、ステータ１０側からの磁界は、感温磁性材料の部分で通り難くなり、結果、永久磁石への逆磁界が小さくなって、永久磁石の減磁がし難くなる。結果、最大逆磁界Ｈｍａｘ（ｋＡ／ｍ）が低減し、磁石使用限界温度をより高い温度Ｔｕ２（＞Ｔｕ１）まで上げることが可能となる。しかし、その場合、図５（ｂ）に示すよう、モータ最大トルク（Ｎ・ｍ）は、使用する感温磁性材料のキュリー温度Ｔｃ、すなわちＴｃｋに依存した値となり、高温域、換言すれば使用する感温磁性材料のＴｃｋ以上の温度域（前記Ｔｕ１〜Ｔｕ２近傍での温度域）でのモータ最大トルク（Ｎ・ｍ）は、小さいものとならざるを得ない。
【００２５】
本実施の形態によるモータは、その不都合を改善したものであり、感温磁性材料を１層でなく、キュリー温度Ｔｃが異なる感温磁性材料を２層以上に積層した状態で用いることで、この不都合を解決する。
【００２６】
図６を参照して、その一形態を説明する。図６に示す例は、３層からなる感温磁性材料積層体２４が永久磁石２３に積層されている場合での、図５（ａ）および図５（ｂ）に対応する図である。これは、図２に基づき説明したロータ２０の場合に相当しており、限定されないが、一例として、図２でいう第１感温磁性材料層２４ａには、図３に例示した感温磁性材料ａ（Ｔｃ＝１５０℃）を、第２感温磁性材料層２４ｂには、感温磁性材料ｂ（Ｔｃ＝１２０℃）を、第３感温磁性材料層２４ｃには、感温磁性材料ｃ（Ｔｃ＝９０℃）を、それぞれ挙げることができる。そして、図６では、第１感温磁性材料層２４ａに相当する感温磁性材料ａのキュリー温度ＴｃをＴｃａ、第２感温磁性材料層２４ｂに相当する感温磁性材料ｂのキュリー温度ＴｃをＴｃｂ、第３感温磁性材料層２４ｃに相当する感温磁性材料ｃのキュリー温度ＴｃをＴｃｃとして示している。
【００２７】
図６（ａ）に示すように、キュリー温度Ｔｃの異なる感温磁性材料を用いることで、高温域での最大逆磁界を段階的に低減することが可能となり、結果、図６（ｂ）に示すように、高温域でのモータ最大トルクも段階的に低下させることが可能となる。そのために、図５（ｂ）に示したものと比較して、高温域でのトルクを平均して高い値に維持できるようになる。また、感温磁性材料の選択にもよるが、磁石使用限界温度Ｔｕ３も、感温磁性材料が１層の場合とほぼ同等の温度Ｔｕ２近傍まで、高めることも可能となる。
【００２８】
なお、本発明によるモータにおいて、感温磁性材料の層は、３層に限定されるものではなく、２層以上であれば、所期の目的は達成できる。また、２層以上の感温磁性材料の組み合わせ順も、キュリー温度高温材→キュリー温度低温材の順に限定されるものでなく、配置順は任意である。例えば、永久磁石の温度が高くなる場合には、永久磁石側にキュリー温度Ｔｃの低い材料を配置し、ステータ側の温度が高くなりロータ表面の温度が高くなる場合には、ロータ表面側にキュリー温度Ｔｃの低い材料を配置することが好適である。さらに、感温磁性材料の層は、図示のもののように、永久磁石のロータ表面側（ステータ側）のみであってもよく、反対側、すなわちロータの中心軸側のみであってもよい。ロータ表面側のロータの中心軸側の両側に配置しても、同様の作用効果は達成できる。用いる感温磁性材料は、キュリー温度Ｔｃが６０℃〜２００℃の間の材料から適宜選択することが、モータ制御に適している。
【００２９】
本実施の形態のモータ１では、感温磁性材料として、直方体形状でありかつ平板状である感温磁性材料を用いており、さらに、ロータに形成した軸方向の空間に直方体形状である永久磁石と感温磁性材料との径方向の積層体を挿入する構造であり、液体である感温磁性部材を用いるものと比較して、ロータの製造が容易であり、かつ、長期信頼性の高いロータ構造となる。
【００３０】
さらに、感温磁性材料は、Ｍｎ−Ｚｎ系のフェライト磁性材であり、鉄系の合金である感温磁性材料を用いる場合、鉄系の合金ではキュリー温度が高く、組成を変えて大きくキュリー温度を変える素材を得ることが難しいが、フェライト系感温磁性材料では比較的モータ制御に適する温度のキュリー温度を有するため、磁性を損なわずに組成を変えてキュリー温度の異なる素材を準備することは比較的容易である。そのために、制御温度に合せた素材選定が容易になるという利点もある。
【００３１】
さらに、感温磁性材料がフェライト磁性材料である場合、フェライト磁性材料はＦｅ２Ｏ３の鉄酸化物材料のため絶縁体であり、磁石と電磁鋼板の直接接触が妨げられ、磁石と電磁鋼板との接触界面での渦電流の発生が無くなり、渦電流損が無くなるという効果ももたらされる。
【符号の説明】
【００３２】
１…モータ、
１０…ステータ、
１１…スロット、
１２…ティース、
１３…コイル、
２０…ロータ、
２２（２２ａ、２２ｂ、２２ｃ）…直方体形状の空間、
２３…永久磁石、
２４…感温磁性材料積層体、
２４ａ…第１感温磁性材料層、
２４ｂ…第２感温磁性材料層、
２４ｃ…第３感温磁性材料層。
【図１】
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【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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