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T. Magn. Soc. Jpn. (Special Issues)., 8, 62-66 (2024)<Paper>Sm-Fe-N ボンド磁石を用いた高トルク IPMSM に関する検討
Study on High Torque IPMSM Using Sm-Fe-N Bonded Magnet武田一真 a)・吉田征弘 a)†・吉田理恵 b)・阿部将裕 b)・多田秀一 b)・山本宗生 b)・田島克文 a)a)秋田大学理工学研究科，秋田県秋田市手形学園町 1-1 (〒010-8502)b)日亜化学工業株式会社，徳島県阿南市上中町岡 491 (〒774-8601)

K. Takeda a), Y. Yoshida a) †, R. Yoshida b), M. Abe b), S. Tada b), M. Yamamoto b), and K. Tajima a)a) Graduate School of Science and Engineering, Akita Univ., 1-1 Tegata Gakuen-machi, Akita, Akita 010-8502, Japanb) Nichia Corporation, 491 Kaminakamachioka, Tokushima, Anan 774-8601, Japan

Permanent magnet motors use powerful neodymium sintered magnets, which contain dysprosium (Dy), a
heavy rare earth, to improve the coercive force in general.We have been studying heavy rare earth-free motors usingbonded magnets. 㻌 In this paper, the torque characteristics of a motor using Dy-free samarium-iron-nitrogen(Sm-Fe-N) bonded magnets were calculated using the finite element method, aiming for torque characteristics
comparable to those of a motor using neodymium sintered magnets.㻌 This study shows that a motor using Sm-Fe-N
bonded magnets can output torque close to that of a motor using neodymium sintered magnets by changing themagnet arrangement of the rotor from a V-shape to a U-shape to increase the magnet surface area and to eliminate
leakage flux at the flux barrier.
Key words : Sm-Fe-N bonded magnet, permanent magnet motor, IPM motor, injection moldingはじめに使用する磁石の特徴とモータ初期形状 近年，世界的に地球環境保護や省エネルギー化への関心が高ま使用する磁石の特徴っており，気候変動，地球温暖化防止への取り組みが強く求めら

本検討ではネオジム焼結磁石とSm-Fe-Nボンド磁石の2種類のれている．そのため日本では，2050 年までにカーボンニュートラ磁石を用いた．まず，ネオジム焼結磁石は，流通している磁石のル，脱炭素社会の実現を目標としており，電動化の動きが加速し中で最高の磁気特性を持っており，高い残留磁束密度を有し，機ている．電動化におけるキーデバイスの一つであるモータは，エ械的強度に優れている．短所として，さびやすいため表面処理をネルギー問題への関心の高まりと相まって，省エネルギー効果のする必要がある．温度特性は低く，熱に弱い磁石である．なお，高い高効率モータの開発が極めて重要な課題となっている．高効

本検討で用いるN40SHの残留磁束密度は1.29 Tである．
次いで，率モータとして現在広く使われているモータは永久磁石モータでSm-Fe-N ボンド磁石は，近年注目を集めており，モータへの適用あり，我が国における 2021 年の 70 W 以上の交流モータ生産台数が期待されているサマリウム・鉄・窒素を原料としたボンド磁石

割合のうち，永久磁石モータは 57%を占めている 1)．高性能永久である．射出成型をすることが可能であり，形状自由度が高い 5)．

磁石モータの多くには現在最も強力な磁力を有するとされるネオ

また，高い抵抗率を持ち，渦電流を低減できる． なお，本検討でジム焼結磁石が用いられている．しかしながら，ネオジム焼結磁用いる AL16C の残留磁束密度は 0.86 T である．

石の原料のうちジスプロシウム（Dy）は重希土類であり，特定の国からの供給に依存しているため高コスト，供給が不安定，採掘初期形状 ,3060 の諸元と解析条件

や精錬に環境破壊を伴うといった問題がある 2)．したがって，コス 比較対象であるネオジム焼結磁石を用いた V 字型に磁石を配置

トや持続可能性の面から省レアアース，脱レアアース化は極めてした埋込型永久磁石同期モータ（IPMSM）の形状を Fig. 1 に，重要な課題であり，筆者らは，重希土類フリーモータの検討を進Table 1 に諸元と解析条件を示す．固定子直径は 107 mm，回転子めている 3)・4)．

直径は 60 mm，ギャップ長は 0.5 mm，固定子および回転子の積 本稿では，余剰資源でネオジムと比べて低価格であるサマリウ

厚は 50 mm で，6 極 9 スロットのモデルとなっている．解析条件

ムを使用した Dy フリーであるサマリウム鉄窒素（Sm-Fe-N）ボは電流振幅および周波数がそれぞれ 20 A と 250 Hz，回転速度はンド磁石を用いて，ネオジム焼結磁石を用いたモータに匹敵する5000 rpm とした．実機での試作試験を想定し，電流密度が 5

トルク特性を目指し，有限要素法を用いてトルク特性を算定した．

A/mm2 以下となるよう電流値を決定している．また，ネオジム焼また，Sm-Fe-N ボンド磁石の特徴の一つである形状自由度を生か結磁石を用いた場合と Sm-Fe-N ボンド磁石を用いた場合のトル

した磁石配置，およびモータ駆動時の減磁の可能性について検討

ク特性を比較するために，２種類の磁石でそれぞれ解析する．

した．
Corresponding author: Y. Yoshida (e-mail: yoshida@gipc.akita-u.ac.jp).

62初期形状 ,3060 の解析結果
 本節では，同形状のとき，磁石材料がネオジム焼結磁石からSm-Fe-N ボンド磁石に変更した場合のトルク特性を比較する．

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がわかる．また，定格電流と回転数におけるネオジム焼結磁石を使用したモータの定格出力は 3.3kw となり，Sm-Fe-N ボンド磁石を使用したモータの定格出力は 2.61 kW となった．

Fig. 1 V-shaped model.
Table 1 Motor Specifications and analysis conditions.
（a） V-shaped model using Nd-Fe-B sintered magnet（b） V-shaped model using Sm-Fe-N bonded magnet
Fig. 2 Magnetic flux density distribution diagram.

Fig. 2（a）にネオジム焼結磁石を用いた V 字型磁石配置の磁束密度分布図を，同図（b）に Sm-Fe-N ボンド磁石を用いた V 字型磁石配置の磁束密度分布図を示す．Fig. 2（a）と Fig. 2（b）
を比較すると，Sm-Fe-N ボンド磁石の残留磁束密度がネオジム焼（a）V-shaped model using Nd-Fe-B sintered magnet

結磁石の残留磁束密度よりも低いことから，磁束密度分布図でもFig. 2（b）の磁束密度が全体的に低いことがわかる．Fig. 3(a)にネオジム焼結磁石を用いた V 字型磁石配置の電流毎トルク対電流位相角特性を，Fig. 3(b)に Sm-Fe-N ボンド磁石を用いた V 字型磁
石配置の電流毎トルク対電流位相角特性を示す．定格電流の 20 A
では，いずれのモータも電流位相角15°でトルクが最大となった．
Fig. 4 にトルク波形を示す．ネオジム焼結磁石を使用したモータの平均トルクは 6.36 N·m， Sm-Fe-N ボンド磁石を使用したモータの平均トルクは 4.98 N·m，となり，トルク差は 1.38 N·m，21.7 %となった．ここで，解析に用いたネオジム焼結磁石の無励磁時のコイル鎖交磁束は 0.05 Wb，Sm-Fe-N ボンド磁石のコイル鎖交磁束は 0.038 Wb で，コイル鎖交磁束の差は 0.012 T，24%であることから，トルクの比とコイル鎖交磁束の比がほとんど等しいこと（b） V-shaped model using Sm-Fe-N bonded magnet
Fig. 3 Torque versus current phase angle characteristics.

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Fig. 4 Comparison of torque characteristics between Nd-Fe-B
sintered magnet motor and Sm-Fe-N bonded magnet motor.

（a） V-shaped model.

（b） U-shaped model.

Fig.6 Change of magnet shape.

磁石形状の変更によるトルク向上 前章の検討から確認された 1.38 N·m のトルク差を縮めるために，Sm-Fe-N ボンド磁石をコアに直接射出成形し，磁石の形状を U 字型に成形することを想定し，磁石の形状を U 字型に変更した．Fig. 5 に示すように，V 字型配置ではフラックスバリア部に漏れ磁束が生じる．Sm-Fe-N ボンド磁石を U 字型に配置することでこの漏れ磁束を除去し，同時に磁石体積の向上を図る．これにより V 字型配置の体積は 5900 mm3，U 字型配置の体積は 7293mm3 となり，体積は 1393 mm3，19.1%増加した．Fig. 6（a）にこれまで解析してきた V 字型磁石配置を，Fig. 6（b）に U 字型磁Fig. 7 Proposed U-shaped model.

石配置を示す．
Fig. 7 にU 字型にSm-Fe-N ボンド磁石を配置した IPMSM 形状を示す．諸元と解析条件は Table 1 と同様である．
 Fig. 8 に Sm-Fe-N ボンド磁石を用いた U 字型磁石配置の磁束密度分布図を示す．Fig. 2（b）と Fig. 8 を比較すると，磁石配置を変えたことによって Fig. 8 の磁束密度分布図の方が固定子鉄心部分の磁束密度が高くなっていることがわかる．
Fig. 9 に U 字型 Sm-Fe-N ボンド磁石モデルの電流毎トルク対電流位相角特性を示す．V 字型モデルと同様に，定格電流である20 A 通電時のトルクが最大になる電流位相角は 15°であった。最大トルク時のトルク波形の比較を Fig. 10 に示す．V 字型磁石配置（ネオジム焼結磁石）の平均トルクは 6.36 N·m，U 字型磁石

Fig. 8 Magnetic flux density distribution diagram ofproposed model.

配置（Sm-Fe-N ボンド磁石）の平均トルクは 6.01 N·m となり，トルク差は 0.35 N·m，5.5 %となった．解析に用いたネオジム焼7結磁石の残留磁束密度は 1.27 T，Sm-Fe-N ボンド磁石の残留磁束20A615A5Torque [N·m]

10A45A

321-90-75-60-45-300-1501530
Curent phase angle b [deg]45607590Fig. 9 Torque versus current phase angle characteristics ofFig. 5 Leakage flux at flux barrier.

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proposed U-shaped model.

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討したときの検討方法を以下に述べる．まず，Fig. 13 に示すように，減磁が懸念される磁石端部の要素について，モータ駆動電流を流して外部磁界が発生したときの着磁方向磁束密度を算出し，磁石の動作点を求める．次いで，Fig. 14 に示す磁石温度が 24℃のときの Sm-Fe-N ボンド磁石の減磁曲線（青太線）を用いて，減磁．解析より得られた曲線上の H = 0 における接線を引く（黒破線）
磁石の動作点は，減磁曲線上の点であるため，磁石が減磁すると，黒破線から離れた位置にプロットされる．最後に，通電時の磁石動作点を通り，黒破線と平行な直線を描き（赤細線），H = 0 のときの黒破線と赤細線の差を残留磁束密度の低下と考え，着磁方向Fig. 10 Comparison of torque characteristics between Nd-Fe-Bの減磁とみなす．なお，通電時の磁束密度ベクトルの向きは着磁sintered magnet motor and proposed U-shaped Sm-Fe-N

方向以外の成分も含まれるため，磁石の減磁に関しては着磁方向

bonded magnet motor.

のみの磁束密度を取り出して磁石の動作点とする．着磁方向の磁石の動作点は Fig. 15 に示す通電時の磁束密度ベクトルを用いて7着磁方向成分の磁束密度を抽出する．

6Torque [N·m]5432U-shaped Sm-Fe-N bonded magnet motor
V-shaped Nd-Fe-B sintered magnet motor

10051015Current amplitude [A]2025Fig. 11 Comparison of torque-current characteristics.
密度は 0.86 T で，残留磁束密度の差は 0.41 T，32.3%である．U 字Fig. 12 demagnetization curve型Sm-Fe-N ボンド磁石モデルとV 字型ネオジム焼結モデルの電流対トルク特性を Fig. 11 に示す．各電流振幅において最大トルクとなる電流位相角のトルクを抽出してプロットした．両モデルのトルクは電流に対して比例して増加しており，いずれの電流値においてもトルク差は 5～6％であった．これらの結果から，残留磁束密度が劣っている Sm-Fe-N ボンド磁石でもネオジム焼結磁石と同等のトルクを出力できたといえる．
減磁に関する検討Fig. 12 に本検討で使用した磁石の B-H, J-H 曲線を示す．ネオFig. 13 Part analyzed for study on demagnetization.

ジム焼結磁石と Sm-Fe-N ボンド磁石の保磁力（Hcj）を比較すると，1493 kA/m と 1763 kA/m であり，Sm-Fe-N ボンド磁石のHcj が大きい。
一方で，J-H 曲線が垂れ下がった曲線状であるため，J-H 曲線が直線状であるネオジム焼結磁石よりも小さい外部磁界で磁石動作点が降下する恐れがある．そのため，モータ駆動時に磁石の不可逆減磁が生じていないか調べる必要がある．そこで本

節では，
Sm-Fe-Nボンド磁石の減磁特性について検討を行う 6)・7)．
なお，上述の通り Sm-Fe-N ボンド磁石の減磁曲線は垂れ下がった曲線状となっており，クニック点が明確でない．したがって本検討では，クニック点より動作点が下がったことを判断指標とする
不可逆減磁の検討とは異なり，外部磁界の影響でどれだけ磁束密Fig. 14 Demagnetization characteristics in magnetization

度が低下したのかを評価する．ここで，定格電流である 20 A で検direction at 24 °C.

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定格電流の 20 A 通電時に最も動作点磁束密度が減少した要素 5まとめ

では，Fig. 14 に示すように残留磁束密度の低下が約 0.01 T であることがわかる．この結果から定格電流を印加している場合，減磁 本稿では，Dy フリーである Sm-Fe-N ボンド磁石を用いたモーの影響はほとんどみられないと考えられる．同様に，定格電流の 3タで，ネオジム焼結磁石を用いたモータに匹敵するトルク特性を倍である 60 A の大電流を印加した場合の減磁特性の検討結果を目指し，有限要素法を用いてトルク特性を算定した．回転子の磁Fig. 16 に示す．この図より，最も磁束密度が減少した要素 4 の残石配置をV 字型からU 字型に変更して磁石表面積の向上とフラッ留磁束密度の低下が約 0.04 T であったことから，大電流を印加しクスバリア部の漏れ磁束を除去することで，Sm-Fe-N ボンド磁石た場合であっても，減磁によるトルクの低下はごくわずかであるを用いたモータで，ネオジム焼結磁石を用いたモータに迫るトルと考えられる．

クを出力できることが示された．また，減磁に関する検討から，使用した Sm-Fe-N ボンド磁石には，減磁による影響はほとんどみられないことがわかった．
 今後は，現在製作途中の実機でのモータ特性を測定し，本稿で得られた Sm-Fe-N ボンド磁石モータの効果を実証する予定である．
5HIHUHQFHVFig. 15 Relation between two flux density vectors inmagnetizing direction.

1) https://www.meti.go.jp/statistics/tyo/seidou/result/ichiran/08_
seidou.html
2) K. Machida et al: The Latest Technological Trend and
Resource Strategy of Rare Earths, 13 (CMC Publishing Co.,
Ltd., Tokyo and Osaka, 2018)3) Y. Tsukada, Y. Yoshida, N. Handa, and K. Tajima: T. Magn.
Soc. Jpn., 7, 73 (2023).
4) T. Yanagisawa, Y. Yoshida and K. Tajima: J. Magn. Soc. Jpn44, 45 (2020).
5) M. Sagawa, M. Hamano, M. Hirabayashi: Eikyu Jisyaku
Zairyo Kagaku to oyo (in Japanese), p.292 (Kabushikigaisha
Agune Gijutu Center, Tokyo, 2007)6) S. Morimoto, M.Sanada : Shoene Mortor No Genri to Sekkei(in Japanese), p.133, 134 (Kagaku Joho Syuppan
Kabushikigaisha, Ibaraki, 2013)
7) D. Momma, Y. Yoshida and K. Tajima: J. Magn. Soc. Jpn., 40,115 (2016).

年月日受理，年月日再受理，年月日採録Fig. 16 Demagnetization characteristics when 60A was applied.

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