(57)【要約】【課題】重希土類元素をはじめとする改質金属の永久磁石への添加量や粒界拡散量を可及的に低減しながら、永久磁石の全域において逆磁界以上の保磁力を保証することのできるIPMモータ用ロータを提供する。【解決手段】ロータコア１０、ロータコア１０の回転方向に沿って間隔を置いて配設された磁石用スロット１、表面から保磁力を高める改質金属が粒界拡散され、それぞれの磁石用スロット１に埋設された永久磁石２、からなるIPMモータ用ロータ２０において、磁石用スロット１と永久磁石２の外形形状のうち、ロータコア外周側の形状は、ロータコア１０の外周面１０ａに臨む長手直線部１ｂと長手直線部１ｂの二つの端部で直角に交わる二つの短手直線部１ｃとから構成され、ロータコア軸中心側の形状は、二つの短手直線部の端部同士を繋いで軸中心側に突出した凸部から構成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロータコアと、
ロータコアの軸中心に配設された回転シャフトと、
ロータコアにおいてロータコアの回転方向に沿って間隔を置いて配設された磁石用スロットと、
表面から保磁力を高める改質金属が粒界拡散され、それぞれの磁石用スロットに埋設された永久磁石と、からなり、
前記磁石用スロットと前記永久磁石の外形形状のうち、ロータコアの外周側の形状は、ロータコアの外周面に臨む長手直線部と、該長手直線部の二つの端部で直角に交わる二つの短手直線部とから構成され、
前記磁石用スロットと前記永久磁石の外形形状のうち、ロータコアの軸中心側の形状は、前記二つの短手直線部の端部同士を繋いで該軸中心側に突出した凸部から構成されているIPMモータ用ロータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁石用スロットと永久磁石の外形形状に特徴を有するIPMモータ用ロータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
IPMモータ用ロータに開設された磁石用スロットに埋設される永久磁石には、ステータコア側から入射してくる外部磁界による減磁に抗し得る保磁力が要求されている。
【０００３】
ロータコアの磁石用スロットはその平面視形状が一般に矩形であり（一対の長手直線部と一対の短手直線部から構成される）、この矩形形状を構成する長手直線部がロータコアの周方向に配向するように磁石用スロットが開設されている。また、この磁石用スロットに埋設される永久磁石の平面視形状は磁石用スロットのそれと相補的形状を呈している。なお、実際には、磁石用スロットの短手側方において、磁石用スロット内に永久磁石を固定するための樹脂注入用でかつ漏れ磁束を抑制する任意形状の側方孔が上記する平面視矩形の磁石用スロットの側方に連続的に開設されている。ロータコアには、二つの磁石用スロットが略Vの字状に開設されてそれぞれに永久磁石が埋設され、これら二つの永久磁石で一磁極を形成する形態も一般に適用されている。
【０００４】
上記する永久磁石に作用する外部磁界は、永久磁石のステータコア側（ロータコアの外周面側）の長手直線部と、この長手直線部の二つの端部で直角に交わる二つの短手直線部の交点である隅角部領域が最も大きく、ロータコアの軸中心側領域が小さくなるのが一般的である。
【０００５】
そして、永久磁石に印加される逆磁界に関し、永久磁石の隅角部における逆磁界は、ステータのティース周りに形成されたコイルからの上記外部磁界（逆磁界）と永久磁石自身の持つ反磁場の和であり、永久磁石の芯部における逆磁界は、永久磁石自身の持つ反磁場のみとなる。したがって、上記するように永久磁石のステータ側の隅角部領域が最も逆磁界の高い領域となる。
【０００６】
そこで、永久磁石の保磁力を高め、少なくとも永久磁石の有する保磁力を逆磁界以上に調整するべく、改質金属として、レアアースであるジスプロシウムやテルビウムといった重希土類元素や、これら重希土類元素と遷移元素の合金などが選定され、選定された改質金属が永久磁石の表面から粒界拡散されたものが一般に適用されている。
【０００７】
しかしながら、ジスプロシウム等の重希土類元素は高価であることから、可及的に少ない改質金属使用量にて永久磁石の全域において逆磁界以上の保磁力を保証することのできるIPMモータ用ロータの開発が当該技術分野にて切望されている。
【０００８】
そこで、改質金属使用量を低減する方策の一つとして、逆磁界が相対的に高い隅角部の保磁力を相対的に大きくした永久磁石を備えたIPMモータに関する技術が特許文献１，２に記載されており、これら部位ごとに保磁力の相違する永久磁石は一般に保磁力分布磁石と称されている。
【０００９】
特許文献１，２で記載されるIPMモータに内蔵される保磁力分布磁石によれば、重希土類元素等の改質金属使用量を可及的に低減しながら永久磁石の必要部位の保磁力を高めることができるものの、実際には、所望部位に所望の改質金属を粒界拡散等させるのは容易でないことから、より簡易な方法で永久磁石の全域において逆磁界以上の保磁力を保証することのできる技術の開発が望まれている。
【００１０】
ここで、図３〜５を参照して、永久磁石のうち、ステータ側の隅角部を含むステータ側領域と、中央領域と、における逆磁界と保磁力の大小関係を考察する。
【００１１】
図３で示すロータＲは、平面視矩形の磁石用スロットＳＬが略Vの字状に形成され、各磁石用スロットＳＬに相補的な外形形状の永久磁石Ｍが埋設されて一つの磁極を形成し、これが周方向に複数極形成されてその全体が構成されている。なお、図示例はそのうちの一磁極のみを抽出して図示したものである。
【００１２】
図３において、永久磁石Ｍのステータ側領域であるライン１と、永久磁石Ｍの中央領域であるライン２のそれぞれにおける逆磁界と保磁力の関係を検証する。
【００１３】
図４の上段は永久磁石の基材にDyが添加されている場合の、ライン１に沿う各位置における逆磁界と保磁力を示した概略図であり、図４の下段は永久磁石の基材にDy添加のない場合の、ライン１の各位置における逆磁界と保磁力を示した概略図である。
【００１４】
図４の上段のグラフより、永久磁石の基材にDyが添加されている場合は、Dy添加量分だけ保磁力が向上し、この永久磁石に対してさらにDyを改質金属として粒界拡散させることでライン１における逆磁界ライン１よりも全域で高い保磁力（保磁力ライン１）を保証することができる。同図より、保磁力ライン１と逆磁界ライン１の差分には大きな開きがあり、高い安全率を有している。
【００１５】
一方、図４の下段のグラフより、永久磁石の基材にDyが添加されていない場合でも、Dyを永久磁石の表面から粒界拡散させることから、Dyはライン１の全域で十分に拡散され、結果として、ライン１における逆磁界ライン１よりも全域でやはり高い保磁力（保磁力ライン１）を保証することができる。尤も、図４の上段のグラフと異なり、基材にもともとDyが添加されていないことから、保磁力ライン１と逆磁界ライン１の差分は小さくなっている。
【００１６】
図４で示すライン１における保磁力と逆磁界の関係に対し、図５で示すライン２における保磁力と逆磁界の関係では、ライン２の全域で逆磁界以上の保磁力を保証するのが難しい結果となっている。
【００１７】
その理由は、永久磁石の表面から粒界拡散された改質金属が永久磁石の中央領域まで届き難いためである。したがって、基材にDyが添加されている場合を示す図５の上段のグラフでも、ライン２において部位によっては保磁力ライン２と逆磁界ライン２が同程度になる部位が生じている。そして、図５の下段のグラフでは、ライン２のほぼ全域において逆磁界ライン２が保磁力ライン２を上回っており、必要保磁力を有していないことが分かる。
【００１８】
このように、永久磁石の全域において逆磁界以上の保磁力を保証するには、Dy等の改質金属の粒界拡散のみならず、永久磁石の基材に対してDy等を添加しておく必要があることから、基材へのDy等添加を不要とできるIPMモータ用ロータの開発が必要になってくる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１９】
【特許文献１】特開２０１０−１１９１９０号公報
【特許文献２】国際公開第２００８／１４６９３７号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
本発明は上記する問題に鑑みてなされたものであり、重希土類元素をはじめとする改質金属の永久磁石への添加量や粒界拡散量を可及的に低減しながら、永久磁石の全域において逆磁界以上の保磁力を保証することのできるIPMモータ用ロ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】
【００２１】
前記目的を達成すべく、本発明によるIPMモータ用ロータは、ロータコアと、ロータコアの軸中心に配設された回転シャフトと、ロータコアにおいてロータコアの回転方向に沿って間隔を置いて配設された磁石用スロットと、表面から保磁力を高める改質金属が粒界拡散され、それぞれの磁石用スロットに埋設された永久磁石と、からなり、前記磁石用スロットと前記永久磁石の外形形状のうち、ロータコアの外周側の形状は、ロータコアの外周面に臨む長手直線部と、該長手直線部の二つの端部で直角に交わる二つの短手直線部とから構成され、前記磁石用スロットと前記永久磁石の外形形状のうち、ロータコアの軸中心側の形状は、前記二つの短手直線部の端部同士を繋いで該軸中心側に突出した凸部から構成されているものである。
【００２２】
本発明のIPMモータ用ロータは、その磁石用スロットの外形形状およびここに埋設される永久磁石の外形形状に特徴を有するものであり、具体的には、相互に相補的形状のこれらの外形形状に関し、磁石用スロットと永久磁石におけるロータコア軸中心側の側面（長手方向の側面）が軸中心側に突出した凸部を有する形状となっている。
【００２３】
本発明者等によれば、磁石用スロットと永久磁石におけるロータコア軸中心側の側面が軸中心側に突出した凸部を有することで、逆磁界を低減できることが分かっており、特に、凸部の突出長が長くなるにつれて逆磁界の低減量が大きくなることが分かっている。これは、凸部によって永久磁石の厚みが増すことで逆磁界が低減することが主たる理由である。既述するように、永久磁石の中央部分では粒界拡散された改質金属が十分に届き難い。そこで、特に永久磁石のロータコア軸中心側の側面の中央の突出量が大きくなるように当該側面に凸部を設けることで、中央領域の逆磁界を低減することができ、改質金属の粒界拡散量が十分でなくても逆磁界以上の保磁力を保証することが可能になる。
【００２４】
ここで、「凸部」の形状は、ロータコア軸中心側の側面がロータコア軸中心側に向かって湾曲状に突出している形状、側面中央の頂点と複数の折角とが連続的に繋がっている形状など、多様な形状形態がある。
【００２５】
また、適用される永久磁石は、DyやTbといった重希土類元素や、これら重希土類元素とCuやNdといった遷移元素の合金などの改質金属がその表面から粒界拡散されたものである。
【００２６】
永久磁石における改質金属の粒界拡散方法としては種々の方法が挙げられる。
【００２７】
その一つの方法は、平面視矩形の直方体の永久磁石を用意し、この永久磁石に対してその表面から改質金属を粒界拡散させた後、ロータコアの軸中心側となる側面を切断加工して凸部を形成する方法である。
【００２８】
また、他の一つの方法は、ロータコア軸中心側の側面に予め凸部を形成しておいた永久磁石に対し、その表面から改質金属を粒界拡散させる方法である。
【００２９】
さらに、改質金属の粒界拡散法に関しても、永久磁石のロータコア外周側の側面のみから改質金属を粒界拡散させる方法（一面拡散法）や、永久磁石のロータコア外周側の側面（平面視で長手方向の側面）とこれに直交する二つの側面（平面視で短手方向の側面）の計三つの側面から改質金属を粒界拡散させる方法（三面拡散法）などを適用できる。
【００３０】
なお、本発明は、IPMモータ用ロータを発明対象としているが、表面磁石型のSPMモータ等、本発明と同様の効果が奏される他の形態のモータを排除するものではない。
【発明の効果】
【００３１】
以上の説明から理解できるように、本発明のIPMモータ用ロータによれば、磁石用スロットおよび永久磁石のロータコア軸中心側の側面が凸部を備えていることで、凸部の突出長に応じて逆磁界を低減することができ、このことによって、改質金属使用量を低減しながら、永久磁石の全域において逆磁界以上の保磁力を保証することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明のIPMモータ用ロータの一部を拡大した平面図である。
【図２】（ａ）は永久磁石に設定した保磁力および逆磁界検証用のライン１，２，３を示した図であり、（ｂ）は各ラインにおける保磁力および逆磁界の解析結果を示した図である。
【図３】従来のIPMモータ用ロータの一部を拡大した平面図である。
【図４】図３のライン１に沿う各位置での逆磁界と保磁力を示した概略図である。
【図５】図３のライン２に沿う各位置での逆磁界と保磁力を示した概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、図面を参照して本発明のIPMモータ用ロータの実施の形態を説明する。なお、図示する磁石用スロットは、その平面視形状における短手方向の側方において漏れ磁束抑制用かつ樹脂注入用の側方孔を有していないが、直方体形状の磁石用スロットの側方においてこの側方孔が連続的に形成された形態であってもよいことは勿論のことである。
【００３４】
（IPMモータ用ロータの実施の形態）
図１は本発明のIPMモータ用ロータの一部を拡大した平面図である。図示するIPMモータ用ロータ２０は、円盤状の電磁鋼板等の鋼板が所定高さまで積層され、各鋼板同士がかしめ等されることで形成された円柱状を呈したロータコア１０と、ロータコア１０に開設された磁石用スロット１に埋設された永久磁石２とから大略構成されている。
【００３５】
ロータコア１０の軸中心には回転シャフト３が取り付けられており、不図示のステータ内にIPMモータ用ロータ２０が配設され、回転シャフト３を中心に回転自在に構成されている。
【００３６】
ロータコア１０には、その外周面１０ａの近傍において回転方向に沿って間隔を置いて複数の磁極が形成されており、各磁極は、ロータコア１０に開設された磁石用スロット１と、磁石用スロット１に埋設された永久磁石２とから構成されている。より詳細には、一つの磁極は、略Vの字状に開設された二つの磁石用スロット１のそれぞれに永久磁石２が埋設されて構成されている。
【００３７】
磁石用スロット１の外形形状（平面視形状）に関し、まずロータコア１０の外周側の外形形状は、ロータコア１０の外周面１０ａに臨む長手直線部１ｂと、該長手直線部１ｂの二つの端部で直角に交わる二つの短手直線部１ｃとから構成されている。一方、磁石用スロット１の外形形状のうち、ロータコア１０の軸中心側の外形形状は、二つの短手直線部１ｃの端部同士を繋いで軸中心側に突出した凸部１ａから構成されている。
【００３８】
この磁石用スロット１に埋設される永久磁石２も、磁石用スロット１と相補的な外形形状を有している。すなわち、図示するように、永久磁石２は、平面視矩形の矩形部２ａと、その軸中心側に突出した凸部２ｂとから形成された平面視形状を有する柱状体である。
【００３９】
ここで、永久磁石２は、磁性粉末を焼結して焼結体を形成し、焼結体に磁気的異方性を付与する熱間塑性加工等を施して形成された希土類磁石から構成される。
【００４０】
この希土類磁石に対し、その表面から改質金属を粒界拡散させることにより、希土類磁石の内部組織を構成する主相と粒界相のうち、粒界相内を改質金属が粒界拡散しながら粒界相の改質を図り、保磁力を向上させて永久磁石２が形成されるものである。
【００４１】
保磁力を向上させるのに適用される改質金属としては、Dy、Tb、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Ho、Er、Tm、Yb、Luといったレアアースや、これらレアアースと他の金属との合金、あるいはこれらのレアアースの化合物などが挙げられる。
【００４２】
永久磁石２の製造方法は、図示する平面視形状の希土類磁石を製造した後、その全側面から改質金属を粒界拡散させて製造する方法や、平面視矩形の希土類磁石に対してその全側面から改質金属を粒界拡散させた後、図示する平面視形状となるように軸中心側の側面を湾曲状に切断加工して製造する方法などがある。
【００４３】
また、改質金属の粒界拡散法としては、永久磁石２のロータコア外周側の側面のみから改質金属を粒界拡散させる一面拡散法や、永久磁石２のロータコア外周側の側面（平面視で長手方向の側面）とこれに直交する二つの側面（平面視で短手方向の側面）の計三つの側面から改質金属を粒界拡散させる三面拡散法などを適用できる。
【００４４】
上記一面拡散法や三面拡散法によれば、他の側面に比して逆磁界が小さく、したがって改質金属の粒界拡散がほとんど不要な場合もあり得る軸中心側の側面からの当該粒界拡散を排除することで、必要保磁力に応じた改質金属の最適使用量を実現することが可能になる。
【００４５】
なお、図示する磁石用スロット１の凸部１ａや永久磁石２の凸部２ｂは湾曲状を呈しているが、これら凸部１ａ，２ａは図示例の形状に限定されるものではなく、側面中央部を頂点として左右の端部から二つないし三つの折角を経て繋がれた多角形状の形態などであってもよい。
【００４６】
図示するIPMモータ用ロータ２０によれば、磁石用スロット１および永久磁石２のロータコア軸中心側の側面が凸部１ａ，２ａを備えていることで、凸部１ａ，２ａの突出長に応じて逆磁界を低減することが可能になる。そのため、改質金属の粒界拡散量を低減した場合でも、特に改質金属の粒界拡散が十分になされ難い永久磁石２の中央領域における逆磁界を低減することにより、中央領域において逆磁界以上の保磁力を保証することが可能になる。また、改質合金の粒界拡散が十分におこなわれ得る永久磁石２の隅角部やロータコア外周面側の領域においても、凸部１ａ，２ａによって逆磁界を低減できることにより、粒界拡散させる改質金属使用量を低減してもこれらの領域における逆磁界以上の保磁力を保証することが可能になる。
【００４７】
（本発明の効果を検証する解析とその結果）
本発明者等は、本発明のIPMモータ用ロータの効果を検証するための解析をおこなった。ここで、解析に使用したソフトはJMAGであり、解析モデルは、モータ種として永久磁石埋め込み型のIPM同期モータ 、磁石配置は8極で各極V字配置、磁石種はネオジム(Nd)焼結磁石、磁石寸法は幅20mmで厚さ(NS方向)5mm程度、モータ動作条件は最大トルク時の電流値で進角とした。また、永久磁石の凸部の突出量に関し、突出量なし（凸部なし）の比較例、突出量1mmと2mmの実施例を解析モデルとして解析をおこなった。
【００４８】
図２は解析結果を示した図であり、図２（ａ）は永久磁石に設定した保磁力および逆磁界検証用のライン１，２，３を示した図、図２（ｂ）は各ラインにおける保磁力および逆磁界の解析結果を示した図である。
【００４９】
図２（ｂ）で示すライン１，２，３のいずれの解析結果においても、逆磁界の低減量は凸部の突出量に相関することが分かる。
【００５０】
また、今回の解析モデルにおいて、凸部の突出量が2mmの実施例の逆磁界低減量は、永久磁石の基材に対してDyを1.5〜2.0質量%添加した場合の保磁力増加量に相当することが分かった。
【００５１】
本解析結果より、磁石用スロットと永久磁石の一部の形状を調整することにより、改質金属の使用量を低減しながら、永久磁石の全域において逆磁界以上の保磁力を保証できることが検証されている。
【００５２】
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】
【００５３】
１…磁石用スロット、１ａ…軸中心側側面（凸部）、１ｂ…外周側側面（長手直線部）、１ｃ…短手側面（短手直線部）、２…永久磁石、２ａ…矩形部、２ｂ…凸部、３…回転シャフト、１０…ロータコア、１０ａ…ロータコアの外周面（外周面）、２０…IPMモータ用ロータ（ロータ）
【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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