(57)【要約】【課題】重希土類元素の使用量を減らしつつ、磁気空隙に対して永久磁石の減磁を抑制することのできる回転電機のロータを提供する。【解決手段】永久磁石３１は、角部において他部よりも保持力の高い高保持力部３３を有する。各々の磁石挿入孔２５には、２つの永久磁石３１、３１が互いに当接して配置されている。磁石挿入孔２５に配置された２つの永久磁石３１、３１は、膨出部２９により形成された磁気空隙に対向する箇所に当接面３５が配置されている。【選択図】図３
2013219847.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロータコアと、
前記ロータコアに形成された複数の磁石挿入孔と、
前記磁石挿入孔に挿入される永久磁石と、を備えた回転電機のロータであって、
前記永久磁石は、角部において、他部よりも保持力の高い高保持力部を有し、
各々の前記磁石挿入孔には、複数の前記永久磁石が互いに当接して配置されており、
各々の前記磁石挿入孔の外周側壁部あるいは内周側壁部の一部には、軸方向から見て前記磁石挿入孔の周縁の一部が膨らむように膨出部が形成され、該記磁石挿入孔と該磁石挿入孔に配置された前記複数の永久磁石との間に前記膨出部により磁気空隙が形成されており、
前記磁石挿入孔に配置された前記複数の永久磁石は、前記磁気空隙に対向する箇所に前記複数の永久磁石の当接面が配置されていることを特徴とする回転電機のロータ。
【請求項２】
前記膨出部は、前記磁石挿入孔の円周方向の略中央に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の回転電機のロータ。
【請求項３】
前記膨出部は、充填剤を注入する注入口であることを特徴とする請求項１又は２に記載の回転電機のロータ。
【請求項４】
前記磁石挿入孔に配置された前記複数の永久磁石は、前記当接面にも前記高保持力部を備えていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の回転電機のロータ。
【請求項５】
前記磁石挿入孔に配置された前記複数の永久磁石が有する前記高保持力部の円周方向の幅は、前記膨出部の円周方向の幅よりも広いことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の回転電機のロータ。
【請求項６】
前記高保持力部は、重希土類元素を真空蒸着させることで形成されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の回転電機のロータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、永久磁石を備えた回転電機のロータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、回転電機のロータ内部に永久磁石を埋め込んだＩＰＭモータが知られている。この回転電機の使用時に反磁界が永久磁石に加わると、永久磁石が減磁して磁力が低下してしまうことから、磁石全体にＤｙやＴｂ等の重希土類元素を含有させることにより、高保磁力化が図られている。しかしながら、保磁力と磁束密度とはトレードオフの関係にあるため、磁石全体に重希土類元素を含有させると、保磁力が高くなる一方で、磁束密度が低下するため、出力トルクが低下してしまう。しかも、この場合、重希土類元素は高価であるため、製造コストが増大してしまう。
【０００３】
これに対し、特許文献１に記載の回転電機では、永久磁石のステータと対向する表面の一部に重希土類元素を塗布し、表面から内部に向かうに従って保持力が減少するように構成することで、最適な保持力分布を持たせる構造を提案している。
【０００４】
ところで、ＩＰＭモータでは、磁石挿入孔に配置された永久磁石を固定するために、磁石挿入孔の周縁の一部が膨らむように膨出部を形成し、膨出部を充填材の注入口として膨出部から樹脂等の充填材を注入することで、磁石挿入孔内に永久磁石を固定する技術も知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１２‐４１４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、磁石挿入孔に膨出部が形成されたＩＰＭモータでは、膨出部が磁気空隙となって永久磁石に略垂直に作用する反磁界に対して磁気抵抗が大きくなってしまい、永久磁石の磁気空隙に対向する箇所では、磁気抵抗の逆数で表されるパーミアンスが小さくなってしまう。即ち、図６に示すように、永久磁石１３１に略垂直に作用する反磁界（図中、矢印）に対して、膨出部１２９が磁気空隙となって、永久磁石１３１のうち、図中、斜線部で示す磁気空隙に対向する箇所Ｘでは、磁気抵抗の逆数で表されるパーミアンスが小さくなってしまう。
【０００７】
図７は、縦軸に磁束密度（Ｂ（Ｔ））、横軸に保持力（−Ｈ（Ａ／ｍ））として、永久磁石の減磁曲線とパーミアンス線を示すグラフである。
永久磁石の動作点は、減磁曲線とパーミアンス線の交点で決まるが、ステータに電流を印加すると永久磁石に反磁界が作用し、矢印Ａで示すようにパーミアンス線が負の方向に移動して屈曲点に近づく。このとき、永久磁石におけるパーミアンスが小さい箇所ではパーミアンス線の傾き（パーミアンス係数）がねるように矢印Ｂで示す方向に傾くので、屈曲点を越えて磁束密度が急激に小さくなるおそれがある。例えば、温度Ｔ１で電流を印加した場合、パーミアンスが大きい箇所Ｂ１では屈曲点を越えず、パーミアンスが中程度の箇所Ｂ２では屈曲点に至り、パーミアンスが小さい箇所Ｂ３では屈曲点を越えて磁束密度が急激に小さくなっている。このように永久磁石の一部において一旦屈曲点を越えて磁束密度が低下してしまった場合、反磁界の作用がなくなった際にも、永久磁石の磁束密度が元の磁束密度より低下してしまう。すなわち、永久磁石が減磁してしまう。
【０００８】
これに対して、図７に示す高保持力部の減磁曲線は、保持力が大きいことから、パーミアンスが小さい箇所Ｂ３´においても屈曲点を越えず減磁が発生しないが、上記したように、磁石全体に重希土類元素を含有させると製造コストが増大してしまう。
【０００９】
従って、重希土類元素の含有量を少なくしつつ、永久磁石のパーミアンスの低い箇所で減磁を抑制することが回転電機で大きなトルクを発生させるために重要となる。
【００１０】
特許文献１に記載の回転電機において、磁石挿入孔の周縁の一部に膨出部を形成した場合、膨出部が磁気空隙となって永久磁石の磁気空隙に対向する箇所でパーミアンスが低下し減磁してしまうおそれがある。
【００１１】
本発明は、前述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、重希土類元素の使用量を減らしつつ、磁気空隙に対して永久磁石の減磁を抑制することのできる回転電機のロータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、
ロータコア（例えば、後述の実施形態におけるロータコア２１）と、
前記ロータコアに形成された複数の磁石挿入孔（例えば、後述の実施形態における磁石挿入孔２５）と、
前記磁石挿入孔に挿入される永久磁石（例えば、後述の実施形態における永久磁石３１）と、を備えた回転電機（例えば、後述の実施形態における回転電機１０）のロータ（例えば、後述の実施形態におけるロータ２０）であって、
前記永久磁石は、角部において、他部よりも保持力の高い高保持力部（例えば、後述の実施形態における高保持力部３３）を有し、
各々の前記磁石挿入孔には、複数の前記永久磁石が互いに当接して配置されており、
各々の前記磁石挿入孔の外周側壁部あるいは内周側壁部の一部には、軸方向から見て前記磁石挿入孔の周縁の一部が膨らむように膨出部（例えば、後述の実施形態における膨出部２９）が形成され、該記磁石挿入孔と該磁石挿入孔に配置された前記複数の永久磁石との間に前記膨出部により磁気空隙が形成されており、
前記磁石挿入孔に配置された前記複数の永久磁石は、前記磁気空隙に対向する箇所に前記複数の永久磁石の当接面（例えば、後述の実施形態における当接面３５）が配置されていることを特徴とする。
【００１３】
請求項２に係る発明は、請求項１の構成に加えて、
前記膨出部は、前記磁石挿入孔の円周方向の略中央に形成されていることを特徴とする。
【００１４】
請求項３に係る発明は、請求項１又は２の構成に加えて、
前記膨出部は、充填剤を注入する注入口であることを特徴とする。
【００１５】
請求項４に係る発明は、請求項１〜３のいずれか１項の構成に加えて、
前記磁石挿入孔に配置された前記複数の永久磁石は、前記当接面にも前記高保持力部を備えていることを特徴とする。
【００１６】
請求項５に係る発明は、請求項１〜４のいずれか１項の構成に加えて、
前記磁石挿入孔に配置された前記複数の永久磁石が有する前記高保持力部の円周方向の幅（例えば、後述の実施形態の幅Ｌ１）は、前記膨出部の円周方向の幅（例えば、後述の実施形態の幅Ｌ２）よりも広いことを特徴とする。
【００１７】
請求項６に係る発明は、請求項１〜５のいずれか１項の構成に加えて、
前記高保持力部は、重希土類元素を真空蒸着させることで形成されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
請求項１の発明によれば、従来のように、重希土類元素を磁石全体に均一に分散させた永久磁石に比べて、角部において重希土類元素を添加させることにより磁束密度の低下を抑制しつつ高保持力化させることができ、さらに製造コストを低減することができる。
また、磁石挿入孔の周縁の一部に形成された膨出部によって磁石挿入孔と永久磁石との間に磁気空隙が形成されている場合には、永久磁石の磁気空隙に対向する箇所において磁気抵抗が大きくなり、パーミアンスが小さくなる。パーミアンスが小さい箇所においては、減磁が起きやすくなってしまうが、角部に高保持力部を備えた複数の永久磁石の当接面が磁気空隙に対向して配置されることにより、永久磁石の磁気空隙に対向する箇所における減磁を抑制することができる。
【００１９】
また、請求項２の発明によれば、同形状の永久磁石を用いて、複数の永久磁石を磁石挿入孔内に配置することができるため、異なる形状の永久磁石を用いる場合に比べて、コストを低減することができる。また、同形状の永久磁石を用いるため、誤組付けを防ぐことができる。
【００２０】
また、請求項３の発明によれば、永久磁石を、磁石挿入孔の外周側壁部あるいは内周側壁部に向かって押し付けて固定することができ、永久磁石を安定して保持することができる。また、永久磁石を、磁石挿入孔の外周側壁部あるいは内周側壁部に向かって押し付けて固定することができることで、永久磁石が磁石挿入孔内において傾いて配置されることを抑制することができ、回転電機の磁気性能にばらつきが生じることを抑制することができる。
【００２１】
また、請求項４の発明によれば、永久磁石の角部に加えて永久磁石同士の当接面にも高保持力部を備えていることにより、永久磁石の磁気空隙に対向する箇所における減磁をさらに効果的に抑制することができる。
【００２２】
また、請求項５の発明によれば、永久磁石の磁気空隙に対向する箇所の円周方向全体に対応して高保持力部を配置することが出来るため、さらに効果的に減磁を抑制することができる。
【００２３】
また、請求項６の発明によれば、重希土類元素の量に対して、高い保持力を持った永久磁石を形成することができる。また、高保持力部に囲まれる内部の低保持力部では残留磁束密度が大きいので、出力トルクを向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の第１実施形態の回転電機の平面図である。
【図２】図１に示す回転電機のロータの部分拡大図である。
【図３】永久磁石体を構成する２つの永久磁石の当接面と膨出部との位置関係を説明する図である。
【図４】実施例と比較例１、２における減磁率の差を示すグラフである。
【図５】実施例と比較例２における磁石温度と誘起電圧減少率を比較したグラフである。
【図６】反磁界に対して、永久磁石のうち、パーミアンスが小さくなってしまう領域を示す図である。
【図７】永久磁石の減磁曲線とパーミアンス線を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明の実施の形態を、添付図面に基づいて説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。
図１及び図２に示すように、本実施形態の回転電機１０は、例えば電気自動車のトラクションモータとして使用されるＩＰＭ型の回転電機であり、主にステータ１１とロータ２０とから構成されている。ロータ２０は、ステータ１１の内側に僅かな間隙を介して回転可能に配置されている。
【００２６】
ステータ１１は、積層された電磁鋼板の内周側に複数のスロット１４及びティース１５が形成されたステータコア１３と、スロット１４に収容され回転磁界を発生させてロータ２０を回転させる複数相の電機子巻線１６と、を備えている。
【００２７】
ロータ２０は、略円筒状のロータシャフト（図示せず）と、その外周側に設けられるロータコア２１と、ロータコア２１内に位置する複数の磁極部２３Ａ、２３Ｂとを備えている。磁極部２３Ａと磁極部２３Ｂとは磁化方向が異なり、周方向に交互に配置される。
【００２８】
ロータコア２１は、複数の電磁鋼板２７…２７が軸方向に積層されて構成されている。各電磁鋼板２７…２７は、略円環形状を有し、その中心に孔部２４が形成されている。また、各電磁鋼板２７…２７の外周部には、一対の磁石挿入孔２５，２５が円周方向に複数形成されており、一対の磁石挿入孔２５，２５はロータコア２１のステータ対向面である外周面に向かって広がる略Ｖ字形状を有している。
【００２９】
一対の磁石挿入孔２５，２５は、内部に配置される永久磁石体３０とともに１つの磁極部２３Ａ（２３Ｂ）を構成し、所定幅を有するセンターリブ２８で区画されている。また、各磁石挿入孔２５は、内周側長辺の中央に膨出部２９が内周側に膨らむように形成されている。膨出部２９は、各磁石挿入孔２５に配置される永久磁石体３０を固定するために、樹脂等の充填材を注入する注入口として機能する。
【００３０】
ここで、各磁石挿入孔２５に配置される永久磁石体３０は、軸方向から見て長方形形状を有し、且つ同一形状の２つの永久磁石３１、３１が、互いの短辺を当接させて配置されている。従って、１つの磁極部２３Ａ（２３Ｂ）は、Ｖ字状に配置された一対の磁石挿入孔２５，２５と、この一対の磁石挿入孔２５，２５に配置される４つの永久磁石３１、３１、３１、３１により構成されている。各磁石挿入孔２５は、２つの永久磁石３１、３１からなる永久磁石体３０より横幅が大きく形成されており、永久磁石体３０の長手方向一端側及び他端側の空間は磁束の短絡を抑制するフラックスバリアとして機能している。
【００３１】
永久磁石体３０を構成する各永久磁石３１は、焼結磁石体にＤｙとＴｂの少なくとも一方を含む重希土類元素を真空蒸着させて重希土類元素を表面から内側に拡散させることにより、図３に示すように、中心部に位置する低保持力部３２を囲うように外周面全面が重希土類元素を拡散した高保持力部３３となっている。低保持力部３２は高保持力部３３に比べて高残留磁束密度を有し、高保持力部３３は低保持力部３２に比べて高保持力を有している。
【００３２】
高保持力部３３は、真空蒸着に限らず、重希土類元素を塗布により形成してもよいが、真空蒸着させることで塗布拡散に比べて製造工程を簡略化することができ、さらに重希土類元素の量に対して高い保持力を持たせることができる。また、高保持力部３３は、外周面全面に形成されている必要はなく、少なくとも２つの永久磁石が当接する当接面の角部に各々形成されていればよく、永久磁石体３０を構成する２つの永久磁石３１、３１の当接面にも形成されていることが好ましく、外周面全面に形成されていることがさらに好ましい。
【００３３】
このように構成された２つの永久磁石３１、３１が永久磁石体３０をなして、１つの磁石挿入孔２５に同じ磁化方向となるように配置される。このとき、２つの永久磁石３１、３１の当接面３５が、膨出部２９に対向する位置に配置される。膨出部２９に対向する位置に配置される２つの永久磁石３１、３１の高保持力部３３の幅Ｌ１は、膨出部２９の円周方向の幅Ｌ２よりも広くなっている。このようにして１つの磁極部２３Ａ（２３Ｂ）を構成する一対の磁石挿入孔２５，２５に同じ磁化方向となるように４つの永久磁石３１、３１、３１、３１を配置し、この磁極部２３Ａ（２３Ｂ）と隣り合う磁極部２３Ｂ（２３Ａ）を構成する一対の磁石挿入孔２５，２５に、磁極部２３Ａとは磁化方向が異なるように４つの永久磁石３１、３１、３１、３１を配置することで、磁極部２３Ａ、２３Ｂが周方向で交互に位置するように形成される。
【００３４】
そして、各磁石挿入孔２５の膨出部２９から樹脂等の充填材を注入することで、永久磁石体３０を構成する２つの永久磁石３１、３１を磁石挿入孔２５の外周側壁部に押し付けることで磁石挿入孔２５に固定する。このとき、膨出部２９に注入された充填材は、金属に比べて磁気抵抗の大きい磁気空隙となる。
【００３５】
本発明では、この磁気空隙に対向する箇所に、角部を含めた外周面全面に高保持力部３３が形成された２つの永久磁石３１、３１の当接面３５を配置したので、磁気空隙に対向する箇所でパーミアンスが低下した場合にも、動作点が減磁曲線の屈曲点を越えにくくなり、減磁が抑制されている。
【実施例】
【００３６】
以下、本発明の実施例について説明する。
１つの磁石挿入孔に上記実施形態で説明したように、低保持力部を囲うように外周面全面が重希土類元素を拡散した高保持力部となっている２つの永久磁石を配置したものを本発明の実施例とし、各磁石挿入孔に重希土類元素を含有させていない１つの永久磁石を配置したものを比較例１とし、低保持力部を囲うように外周面全面が重希土類元素を拡散した高保持力部となっている１つの永久磁石を配置したものを比較例２とし、使用環境を１８０℃に設定して、減磁の様子を観察した。
【００３７】
図４は、実施例及び比較例１、２の減磁率を示したグラフであり、濃度が高ければ高いほど減磁が大きいことを示している。
図４では、隣り合う磁極部のうち一方の磁極部を構成する略Ｖ字状に形成された一対の磁石挿入孔の一方に配置される永久磁石体を左側に、隣り合う磁極部のうち他方の磁極部を構成するＶ字状に形成された一対の磁石挿入孔の他方に配置される永久磁石体を右側にして、異なる磁極部を構成する２つの永久磁石体を一列に並べた。各磁石挿入孔の中央には、磁気空隙となる膨出部が形成されている。これを上記実施形態に当てはめると、図２に記載の磁極部２３Ａを構成する磁石挿入孔２５に挿入された永久磁石体３０と磁極部２３Ｂを構成する磁石挿入孔２５に挿入された永久磁石体３０とを一列に並べたものに相当する。
【００３８】
図４から明らかなように、比較例１では、磁気空隙に対向する箇所から外周側に向かって一様に大きな減磁が発生していることが分かる。これは、各磁石挿入孔に配置される永久磁石体が重希土類元素を含有していない１つの永久磁石から構成されているので、磁気空隙に対向する箇所から広範囲に亘って減磁が発生したものと考えられる。
【００３９】
これに対し、比較例２では、比較例１に比べて減磁の大きな部分の面積が減少しており減磁が改善されているが、磁気空隙に対向する箇所と永久磁石体の中央部で大きな減磁が発生していることが分かる。これは、各磁石挿入孔に配置される永久磁石体が、外周面全面が重希土類元素を拡散した高保持力部となっている１つの永久磁石から構成されているので減磁抑制効果が弱く、磁気空隙に対向する箇所と、永久磁石の低保持力部において減磁が発生したものと考えられる。
【００４０】
これに対し、本発明の実施例では、磁気空隙に対向する箇所で僅かに減磁が発生しているが、比較例１、２に比べて減磁率は小さくなっており、全体的にも減磁がほとんどなく、比較例１、２に比べて減磁が大幅に改善されていることが分かる。これは、減磁が発生しやすい磁気空隙に対向する箇所に、外周面全面が重希土類元素を拡散した高保持力部となっている２つの永久磁石の当接面が配置されているため、減磁が抑制されたものと考えられる。
【００４１】
図５は、実施例と比較例２の磁石温度と回転電機の誘起電圧減少率を比較したものである。
図７で説明した減磁曲線は、温度依存性を有しており温度がＴ１、Ｔ２、Ｔ３と順に高くなるに従って、図７の破線のように変化する。従って、永久磁石の温度が高くなればなるほど動作点が屈曲点に近づき、減磁が発生しやすくなる。
【００４２】
図５から明らかなように比較例２を採用した回転電機では、温度Ａ１を超えたあたりから誘起電圧の減少が発生し、さらに温度Ａ２を超えてからより大きな誘起電圧の減少が発生していることが分かる。これに対し本発明の実施例を採用した回転電機では、温度Ａ１を超えてもほとんど誘起電圧の減少が見られず、温度Ａ２を超えたあたりから誘起電圧の減少が発生し、温度Ａ３を超えてからより大きな誘起電圧の減少が発生していることが分かる。
【００４３】
本発明の実施例と比較例２の誘起電圧の減少を観察すると、温度Ａ１から温度Ａ３の範囲内の誘起電圧の減少率に大きな差異が認められ、本発明の実施例を採用した回転電機では減磁の発生が抑制されることで、誘起電圧の減少率が大幅に改善されることが確認できた。このことは、本発明の実施例を用いた回転電機は、より高温度の環境においても使用できることを意味している。
【００４４】
以上説明したように、本発明によれば、重希土類元素を磁石全体に均一に分散させた永久磁石に比べて、角部において重希土類元素を添加させることにより磁束密度の低下を抑制しつつ高保持力化させることができ、さらに製造コストを低減することができる。また、重希土類元素は真空蒸着させることにより、少ない量の重希土類元素によって高保持力化させることができるとともに、製造工程を簡略化することができる。
【００４５】
また、角部に高保持力部３３を備えた２つの永久磁石３１、３１の当接面３５が磁気空隙に対向して配置されることにより、永久磁石３１、３１の磁気空隙に対向する箇所における減磁を抑制することができ、磁石温度が上昇しても誘起電圧の減少を抑制することができる。また、磁気空隙となる膨出部２９から樹脂等の充填材を注入することで、永久磁石体３０を磁石挿入孔２５の外周側壁部に向かって押し付けて固定することができ、永久磁石３１、３１を安定して保持することができる。
【００４６】
また、永久磁石体３０を構成する２つの永久磁石３１、３１を同形状とすることで、異なる形状の永久磁石を用いる場合に比べて、コストを低減することができるとともに、誤組付けを防ぐことができる。
【００４７】
尚、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。
例えば、上記実施形態では、インナーロータ型の回転電機を例示したが、アウターロータ型の回転電機でもよい。この場合、膨出部２９は、各磁石挿入孔２５の外周側長辺の中央に外周側に膨らむように形成される。
また、上記実施形態では、各磁石挿入孔の中央に磁気空隙となる膨出部が形成されているが、各磁石挿入孔の中央よりも円周方向の端部側に形成されていてもよい。この場合、幅の異なる２つの永久磁石の当接面が磁気空隙に対向して配置されることにより、永久磁石の磁気空隙に対向する箇所における減磁を抑制することができる。
【符号の説明】
【００４８】
２１    ロータコア
２５    磁石挿入孔
３１    永久磁石
１０    回転電機
２０    ロータ
３３    高保持力部
２９    膨出部
３５    当接面
【図１】
2013219847.tif 000003
【図２】
2013219847.tif 000004
【図３】
2013219847.tif 000005
【図５】
2013219847.tif 000006
【図６】
2013219847.tif 000007
【図７】
2013219847.tif 000008
【図４】
2013219847.tif 000009