技術資料＞自動車駆動用埋込磁石同期モータにおける高温下のロータ磁石の不可逆減磁現象の解析と評価法

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技術資料
Technical Data

自動車駆動用埋込磁石同期モータにおける高温下のロータ磁石の不可逆減磁現象の解析と評価法
日南田純平＊，南山拓真＊，藪見崇生＊

Evaluation and Analysis of Irreversible Demagnetization of Rotor
Magnets under High Temperature in an Interior Permanent Magnet
Synchronous Motor for Automotive Drives
Jumpei HINATA, Takuma MINAMIYAMA and Takao YABUMI
Synopsis
This paper describes a study on an IPM-SM for hybrid vehicles using hot-deformed magnets with an arc shape and radialorientation. Using this IPM-SM, demagnetization evaluation experiments and demagnetization analysis were carried out forthe magnet at high temperatures. As a result, demagnetization of the magnet mounted on the rotor was confirmed when themagnet was exposed to an inverse magnetic field applied from the stator in a high-temperature environment. Furthermore, inthe demagnetization analysis, the demagnetization phenomenon was obtained using the experimental current waveforms and themagnet temperature, and the difference between the analytical and the experiment results was examined. As a result, it was foundthat the demagnetization level of the analysis was underestimated compared to the experimental results, and that the difference
was not negligible in the design of demagnetization resistance.

1．緒言

び使用環境に着目すると，磁石の不可逆減磁（以下，減磁という）を発生しやすい高温かつ逆磁界環境下での動Nd-Fe-B 系金属磁石は高い磁力や比較的良好な価格作が要求され，そのため，磁石に高い保磁力が望まれなどの理由で，電化製品からハイブリッド車（以下，る．磁石の保磁力を高める成分元素として用いられる，HEV という），電気自動車（以下，EV という）の駆動ディスプロシウム（Dy），テルビウム（Tb）といった重用モータなどに幅広く用いられ 1），なかでも HEV や EV

希土類元素は，結晶磁気異方性を良化し，保磁力を高めなどの電動車は，CO2 排出低減，環境負荷低減への優位ることができる．ただし，産出国や産出量が限られてい性から，今後，さらに普及が進むと想定される．

るため，高い調達リスクやコストが懸念され，使用量の電動車駆動用モータに搭載される磁石の磁気特性およ削減は喫緊の課題である．

2022年 6月 2日 受付＊ 大同特殊鋼㈱技術開発研究所（Corporate Research & Development Center, Daido Steel Co., Ltd.）

電気製鋼 第 93 巻第 1 号 2022 年

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大同特殊鋼㈱（以下，当社という）では高保磁力化のTable 1. Specification of test motor.

手法として，結晶粒微細化が容易な熱間加工磁石に注力し，組織制御技術の向上などにより，重希土類元素を使用せずに高い保磁力を実現してきた 2）．その結果，2016
年に重希土類フリー熱間加工磁石が HEV 駆動用モータに採用されている 3）．この熱間加工磁石をより高出力のHEV や EV 用駆動モータに搭載するには，さらなる高残留磁束密度化，高保磁力化が必要で，材料開発だけでなく，磁石形状，配向，配置と，材料特性に適正なモーItem

ValuesMaximum torque172

Stator outer diameter

215

Maximum power

Max. phase current

Number of stator slots
Rotor outer diameter

Number of rotor poles
Stack length

タ電磁設計が必要となる．
当社では，モータ設計上重要視される磁石の減磁に着目し，熱間加工磁石の減磁現象の解明のため，モータに搭載した減磁評価実験，および減磁解析を通し，モータ電磁設計精度の向上ならびに材料開発へのフィードバックに取り組んでいる．しかし，当社ではこれまで減磁評価実験，および減磁解析を検討した事例がほとんどない．
そこで，本稿では過去に設計検討した HEV 駆動用

80

Magnet type
Orientation direction
Br @ R.T.

2kW

Nm

180

Arms

48-mm

140mm

60
Hot-deformed
Nd-Fe-B
Radialmm

1670

kA/m

HCJ @ R.T.

2.

Unit

81.33--T

磁石温度予測モータを供試モータとし，高温環境下における減磁評価

減磁評価実験および減磁解析精度の検証にあたり，減実験により減磁を検証する．さらに，減磁評価実験結果磁試験時の磁石温度を把握することは重要である．ただを反映させて減磁解析精度の向上を図ることにより，減し，ロータに埋設された磁石の温度をリアルタイムで把磁評価実験方法および減磁解析技術の確立を実現する．

握するためには，磁石表面に熱電対を貼り付け，温度信号伝達用のスリップリングやテレメータなどの追加部品が必要となり，費用面より容易ではない．そこで，本稿

2 ．高 温 環 境 下における減 磁評価実験2.

1では費用面および実験の容易性を考慮し，次の実験によって磁石温度の予測を試みた．
まず初めに，ロータに埋設された磁石の側表面に，熱供試モータ

Table 1 に供試モータの仕様，Fig. 1 にロータ外観写真をそれぞれ示す．供試モータは市販の HEV 駆動用モータをリファレンスとし，加納らによって設計検討

4）電対を貼り付ける．Fig. 2 に実際に磁石の側表面に熱電対を貼り付けた外観写真を示す．ロータ面内温度分布の有無を確認するため，対角線上に熱電対を 2 箇所（図中，Point 1 および 2）取り付けた．熱電対の種類や貼り付けされた，円弧ラジアル配向熱間加工磁石を用いた埋込磁方によって温度の絶対値が変動するため，その取り付け石形同期モータ（IPMSM）で，重希土類フリーの円弧方には注意を要する．本実験では，熱電対自体の放熱をラジアル配向熱間加工磁石をロータに搭載している．

できる限り小さくするため，線径が φ0.4 mm の K 型を使用し，10 mm 角の耐熱アルミテープで貼り付けた．
Point 1

Point 2

Point 2

Fig. 1. Cut view of test motor.

Fig. 2. Attachment position of thermocouples.

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技術資料＞自動車駆動用埋込磁石同期モータにおける高温下のロータ磁石の不可逆減磁現象の解析と評価法

温度管理を行うため，Fig. 3 に示す減磁評価実験で使1805）160

ジー㈱製）に供試モータを取り付け，恒温槽（エスペッ140

ク㈱製）内に設置した後，Table 2 に示す実験条件のもと，供試モータを静止させたまま，高温環境下で保持させた．この間，磁石側表面の温度推移はデータロガーで計測し，磁石温度が定常値に達することを確認した．なTemperature [℃]

用する大容量モータ評価装置 （シンフォニアテクノロ

10 h

120
100

Setting
Setting80

お，恒温槽は，空調室内で所望の温湿度に調整した空気60を槽内に送り出す，温湿度供給方式である．

40

Magnet1
Point 1
Magnet2
Point 20

Dynamometer

Table 2. Thermal test conditions.

Hold timeValues

151, 156, 161, 169 [℃]
10 [h]

Fig. 4 に一例として，恒温槽を 169 ℃に設定した時のMagnet surface temperature [℃]Fig. 3. Photograph of high capacity dynamometer.

Setting temperature

46Time [h]81012Fig. 4. Temperature profile.

Temperature chamber(max.180 ℃)

Item2180
Point1
Point 1

170

⊿18

Point 2
Point2160⊿17⊿17⊿16150

140130130140150160170
Chamber setting temperature [℃]180Fig. 5. Relationship between magnet surface temperatureand chamber setting temperature.
電流を U 相に通電することで，磁石を減磁させている．
このとき，磁極中心軸と，U 相巻線の中心軸を一致させ各熱電対の温度推移を示す．磁石側表面の温度は恒温槽た位置にロータ位置を合わせることで，d 軸成分に負のの設定温度とは離れているが，10 h 保持後にはおおむね電流が通電された場合（電流進み位相角 β=90 °）を模擬定常値に達していることがわかる．

している．減磁率の評価は，まず減磁した磁石を細分化

Fig. 5 に 10 h 保持後の磁石側表面の温度と恒温槽の設し，その磁石の磁気特性評価を行い，減磁前後の磁束密定温度との関係を示す．Fig. 4，Fig. 5 では 2 箇所の温度度の変化率で評価している．また，文献 7）では通電前推移がほぼ重なり，ロータ面内温度には位置依存性がほ後の誘起電圧の変化率を減磁率として評価している．

とんどないことを確認した．磁石側表面の温度は恒温槽以上をもとに，本稿で検証した減磁評価実験方法をの設定温度に対し，16 ～ 18 ℃低位な結果であったが両Fig. 6 に示す．初めに，恒温槽を 75 ℃に設定し，磁石者の温度には強い相関がみられ，恒温槽の設定温度を用温度が定常値になった後，2000 r/min の誘起電圧 Eb（基いて磁石側表面温度の予測は可能と判断した．

本波実効値）を計測する．次に，Table 3 に示す条件で，2.

3減磁評価実験方法

モータに搭載された磁石の減磁評価実験方法は，筆者らが調べた限りでは，JIS，IEC などの規格では規定さ供試モータを高温環境下に保持した後，100 r/min で回転させている間に，d 軸成分に負の電流を Table 4 に示す条件で 1 秒間通電させ，磁石を減磁させる．通電後は恒温槽を 75 ℃へ戻し，磁石温度が定常値になった後れておらず，モータメーカ各社が独自で評価基準を作に 2000 r/min の誘起電圧 Ea（基本波実効値）を計測し，り，減磁評価実験を実施しているものと想定される．そ（1）式により求めた減磁率を評価する．

こで本稿では，過去の報告事例をもとに実験方法を検討した．文献 6）では，モータを高温環境に保持し，直流減磁率＝ (Ea/ Eb － 1) × 100 [%]（1）電気製鋼 第 93 巻第 1 号 2022 年③ 100② Heating of motor for 10 h
@ resting state

0-100③ Applied demagnetizedcurrent @100 r/min

Applied demagnetizedcurrent during 1 second-200-300-400

0.2

0.4 0.6
Time [s]160120

0.8

0.8

①

1.0

0.7

0.6

⑤⑤④100⑤ Measurement of backelectromotive force@ 2000 r/min

0.9②①140-800
0510Time [h]0.50.4③8060

1.0

After demag.

Id0.01.1

during demag.
Applieddemag. current

Iq180④ Back to original temperature@ resting state

1.2

Before demag.

B [T]Current [A]① Measurement of backelectromotive force@ 2000 r/min

Temperature [℃]400.3
0.2-200-600-400
H [kA/m]

15Demagnetization fieldFig. 6. Evaluation flow of thermal demagnetization.
Iu(measurement)
Iu (measurement)

Table 3. Temperature chamber conditions.
Setting temperature
Hold time

Current ／ Phase angle

200

150, 160, 170 [℃]
10 [h]

Table 4. Demagnetized current conditions.
Item300

ValuesValues180 [Arms] ／ 90 [°]減磁試験時の磁石温度は，Fig. 5 の恒温槽設定温度と磁石側表面の温度の関係より予測する．ただし，減磁試

100Current [A]Item

0Iq (measurement)-100-200⊿17 A-300-400

Id (measurement)01

験時では，通電時のコイル発熱などにより磁石温度が上昇していることが想定され，予測温度との乖離が懸念されるが，事前の検証として，昇温前に通電前後の誘起電圧を計測し，通電後の磁石温度上昇は 1 ℃未満であり，Iu(commandIu (command))

234
Electrical angle [rad]5Fig. 7. Measured instantaneous current and reference
current waveforms.

問題ないことを確認している．また，本実験において恒Table 5. Simulation conditions.

温槽の設定温度は 3 種類としたが，すべて同一の供試

Item

モータを用い，低い温度から順に減磁させた．

2.

4減磁解析方法

減磁解析には，電磁界解析ソフト JMAG － Designer

6Current／Current lead angle
Magnet temperatureValues

192 [Arms] ／ 90 [°]135, 143, 152 [℃]周期とした．磁石磁気特性は，供試モータに搭載した磁20.2（㈱ JSOL 製）を用いた．減磁解析の精度向上のた石と同一のタイミングで試作した磁石の磁気特性測定結めには，減磁を決める逆磁界強度，磁石温度，磁石磁気果を用いた．さらに，実測減磁曲線形状を以下のように特性の実験結果を解析に反映することが重要である．逆扱った．

磁界強度については，通電時の実電流波形を解析に用今回使用した解析ソフトでは，磁石材料の減磁曲線をいるが，Fig. 7 に示す実電流波形の振幅が指令値に対点列データとして入力することが可能である．そこで，

し 17 A 大きいことを確認し，減磁解析に用いた．磁石

JIS C 2502：2019（永久磁石材料）を参考に，減磁量ご

温度には，磁石側表面の予測温度を用いた．解析条件との磁界を定義し，減磁量ごとの磁界，およびその時のを Table 5 に示す．なお，解析時の通電時間は電気角一磁束密度を減磁曲線の点列データとした．Fig. 8 に一例

技術資料＞自動車駆動用埋込磁石同期モータにおける高温下のロータ磁石の不可逆減磁現象の解析と評価法

41として，減磁量が 0.5 %，10 % の点列を示す．動作点の上昇とともに減磁率が増加し，高温環境下における減磁義したため，本解析では 0.5 % 以内の減磁については不解析で約 3 % の差が生じている．JIS C 2502：2019 では

可逆変化を示す磁界は，減磁量が 0.5 % の時の磁界と定問としている．なお，減磁曲線の可逆領域である直線部は，保磁力 HCJ の 20 % ～ 70 % の磁界範囲において線形現象を確認できた．磁石温度が 152 ℃の場合，実験と最大減磁許容量として 5 %（HD5）を目安としているが，Fig. 10 に示すように今回の評価で 152 ℃において実験回帰直線を適用している．このようにして実際に入力し値と解析値に約 3 % の差が生じていることは，モータた点列データ，および測定した減磁曲線例を Fig. 9 に示

搭載時における磁石の耐減磁設計をする上で，無視できす．測定した減磁曲線（図中実線）上に点列データ（図ない誤差である．誤差要因としては，以下の二点を考え中○）はプロットされており，解析ソフト上で測定したている．

減磁曲線を再現できていると考える．減磁解析における

1）減磁解析では二次元解析を用いているため，モータ減磁率の評価は，減磁評価実験と同様に通電前後の誘起2）実験では通電時間 1秒の間に正弦波電流を約 7周期通電圧を求めて，（1）式を用いた．
0.5 %
demag.

電しており，高温環境下で逆磁界を繰り返し印加しBrたことで減磁が進み，減磁率が高くなった可能性が0.995 x Br
1.0ある．

||

0.9 x Br||0.5

減磁現象を確認していく必要がある．
0-20.020 %HcJ-0.5

B=μ0H-700 -600 -500 -400 -300 -200 -100
H [kA/m]

上記 2）については，逆磁界を繰り返し印加した場合の0-1.0

Fig. 8. Proposed demagnetization model and definitionof reversible area.

1.0Demag. curve@ 140 ℃

-1.9-4.2-6-6.2-8-9.0-10-12-14

Meas.

-16Sim.

-18130

135

140
145
150
155
Magnet temperature [℃]160Fig. 10. Results of demagnetization ratio (test andsimulation).
B [T]0.5-0.4-1.6-4-20

1.5

Demag. curve@ 75 ℃

Demagnetization ratio [%]70 %HcJ

HcJ

1.5

B [T]

10 %demag.

端部における減磁現象が考慮されていない．

0.0

4．結言

Plot @ 140 ℃-0.5

Plot@ 75 ℃
-1250

-1000

B=μ0H
-750
-500
H [A/m]-2500-1.0Fig. 9. Measurement results of demagnetization curves

本稿では円弧ラジアル配向熱間加工磁石を用いたIPMSM を対象に，減磁評価実験方法および減磁解析技術を説明した．当社設備を用いた減磁評価実験により，モータに磁石が搭載された状態における磁石の減磁を確認し，減磁の理解を深める足掛かりが得られた．ただand plot data.

し，減磁解析については，実験結果よりも過小に評価さ3．減磁評価実験結果

きない誤差であった．今後は，実験，解析両方に内包さFig. 10 に減磁評価実験，減磁解析で評価した磁石温度ごとの減磁率を示す．減磁評価実験では，磁石温度のれる結果となり，その差は耐減磁設計をする上で無視でれている不確実性を精査し，より高精度の定量的評価の実現に注力したい．

42

電気製鋼 第 93 巻第 1 号 2022 年（文献）1）武田洋次，松井信行，森本茂雄，本田幸夫：埋込磁石
同期モータの設計と制御，オーム社，2001，138．
2）日置敬子：粉体および粉末冶金，69（2022），S3．

3）相馬慎吾，藤代智，白土英治：自動車技術会論文集，48（2017），5，1079．

4）加納善明，藪見崇生：電気学会論文誌 D，140（2020），4，255．

5）日南田純平，南山拓真：電気製鋼，92（2021），2，125．

6）荒木辰太郎，浅野能成，山際昭雄：電気学会研究会資料，RM-16-89（2016），45．

7）西山典禎，本田幸夫：電気学会論文誌 D，138（2018），
7，591．

日南田純平

南山拓真

藪見崇生