JP2011229329A - 永久磁石式モータ - Google Patents

Abstract

【課題】重希土類の使用を最適化することで重希土類の使用を最小限に留め、これによりコストを抑制する。
【解決手段】永久磁石がロータコアに埋め込まれたロータと、ロータに対して所定の空隙を介して配置されたステータとを備える。永久磁石は、重希土類元素を表面近傍の結晶粒界に偏析させた焼結磁石１０を磁化方向に垂直な面で分割して得られる複数の焼結磁石セグメント１０ａ，１０ｂであり、複数の焼結磁石セグメント１０ａ，１０ｂは、それぞれ重希土類元素の濃度が相対的に高い面が前記ロータの外周面側に位置するようにロータコア１００に埋め込まれる。
【選択図】図１

Description

本発明は永久磁石式モータに関し、特に、ロータに埋め込まれる、又はロータ表面に装着される永久磁石の保持力の改良に関する。

電気自動車やハイブリッド自動車において、バッテリや駆動モータのコストをいかに低下させるかは極めて大きな課題である。モータ製造価格を低下させるためのアプローチの一つに、ロータ内部に埋めこまれる、又はロータ表面に装着される永久磁石の改善がある。例えば、ロータ内部に永久磁石が埋め込まれている場合、永久磁石のステータ側の側面にはステータ側から入ってくる外部磁界が磁石の内部に比して相対的に高いため、磁力を保持するために相対的に高い保持力が要求される。一方、磁石の内部においては、外部磁界が相対的に弱いことからその側面付近ほどの保持力は要求されないが、モータのトルク性能に寄与する磁束密度は相対的に高いことが必要である。保持力と磁束密度は、互いに相反する傾向にあり、両方の物理量を同時に満足し得る材料は比較的高価なものとなる。

特許文献１には、磁束密度が相対的に小さく、保持力が相対的に高い材料から成形された外部磁石と、磁束密度が相対的に大きく、保持力が相対的に低い材料から成形された内部磁石とから複合磁石を成形し、複合磁石をロータに埋め込む技術が開示されている。外部磁石には、ネオジウム(Ｎｄ)にジスプロシウム(Ｄｙ)を重希土類元素が添加された材料を用い、内部磁石にはＮｄを用いることが開示されている。

また、特許文献２には、ロータに埋め込まれる、又はロータの表面に装着される永久磁石セグメントのそれぞれがさらに分割された永久磁石の集合体で構成されるとともに、各分割された個々の永久磁石の表面近傍における保持力がそれぞれ分割された永久磁石内部の保持力よりも大きくなっている永久磁石式回転機用回転子が開示されている。また、分割された永久磁石がＮｄ系希土類焼結磁石であること、Ｎｄ系希土類焼結磁石の表面から内部に向かっての保持力傾斜が、磁石表面から内部に向かってＤｙ又はＴｂを拡散させたことによって製造されることが開示されている。

特開２００６−２６１４３３号公報 特開２００９−２５４０９２号公報

ところで、Ｎｄ系焼結磁石は、耐熱性や保持力が一定以上あって優れた磁気特性を有しているが、ステータからの反磁界により減磁しやすいのはロータの外周近傍のみであり、ロータの内周部近傍は保持力をそれほど高くする必要はないところ、磁石表面から内部に向かってＤｙ又はＴｂを拡散させて製造される永久磁石の集合体で永久磁石セグメントを構成するとロータの内周部近傍においても重希土類が偏析してしまうため、重希土類の使用が最適化されておらず、結果としてコストが増大してしまう。

本発明の目的は、重希土類の使用を最適化することで重希土類の使用を最小限に留め、これによりコストを抑制できる永久磁石式モータを提供することにある。

本発明の永久磁石式モータは、永久磁石がロータコアに埋め込まれ、又はロータコア表面に装着されたロータと、前記ロータに対して所定の空隙を介して配置されたステータとを備え、前記永久磁石は、重希土類元素を表面近傍の結晶粒界に偏析させた焼結磁石を磁化方向に垂直な面で分割して得られる複数の焼結磁石セグメントであり、前記複数の焼結磁石セグメントは、それぞれ前記重希土類元素の濃度が相対的に高い面が前記ロータの外周面側に位置し、前記重希土類元素の濃度が相対的に低い面が前記ロータの内周面側に位置するように前記ロータコアに埋め込まれ、又はロータコア表面に装着されることを特徴とする。

本発明の１つの実施形態では、前記永久磁石は、重希土類元素を表面近傍の結晶粒界に偏析させた焼結磁石を磁化方向に垂直な面で２等分して得られる複数の焼結磁石セグメントである。

また、本発明の他の実施形態では、前記永久磁石は、重希土類元素を表面近傍の結晶粒界に偏析させた焼結磁石を磁化方向に垂直な面で４等分して得られる複数の焼結磁石セグメントである。

本発明によれば、重希土類の使用を最適化することで重希土類の使用を最小限に留め、これによりコストを抑制できる。

実施形態における永久磁石埋め込み工程説明図である。 他の実施形態における永久磁石埋め込み工程説明図である。

以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。

１．モータの基本構成
まず、本実施形態におけるモータの基本構成について説明する。本実施形態のモータはＩＰＭ（Ｉｎｔｅｒｉｏｒ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ：内部磁石埋込型）モータであり、ロータ（回転子）とステータ（固定子）を備え、ロータは電磁鋼板を積層したロータコアに複数の永久磁石を埋め込まれて構成される。ロータの極数は任意である。ステータは、電磁鋼板を積層した構造で、各ティースにはコイルが巻回されている。ロータに埋め込まれる永久磁石は、Ｎｄ系希土類焼結磁石であり、母金属を粗粉砕、微粉砕、成形、焼結して製造され、磁石表面にＤｙやＴｂの酸化物粉末、ＤｙやＴｂのフッ化物の粉末、ＤｙやＴｂを含む合金粉末を塗布し、その後、磁石を焼結温度よりも低い温度で熱処理することにより粒界部にのみＤｙやＴｂを拡散させたものである。Ｄｙ等の重希土類が偏析（拡散浸漬）された焼結磁石は、ロータ内に形成された孔に挿入されて、ＩＰＭモータのロータが形成される。

Ｄｙ等の重希土類が偏析（拡散浸漬）された焼結磁石では、特開２００９−２５４０９２号公報に開示されているように、残留磁束密度の低減をほとんど伴わずに保持力が効率的に増大され、焼結磁石の保持力に分布が生じる。すなわち、磁化方向に平行な面において磁石表面近傍の保持力が磁石内部の保持力よりも相対的に高くなる。

本実施形態では、Ｄｙ等の重希土類が偏析（拡散浸漬）された焼結磁石におけるこのような保持力分布を利用して、ＩＰＭモータのロータを形成する。

２．ロータの製造方法
図１に、本実施形態におけるＩＰＭモータのロータ製造方法を模式的に示す。図１（ａ）は、直方体形状のＮｄ系重希土類焼結磁石１０を磁化方向に平行な面で切断した断面図である。Ｄｙ等の重希土類が偏析（拡散浸漬）された焼結磁石、例えばＮｄＦｅＢ磁石は、磁化方向に平行な面において磁石表面近傍の重希土類元素の濃度が磁石内部の重希土類元素の濃度よりも相対的に高くなる。ここで、断面において、重希土類の濃度毎にａ，ｂ，ｃ，ｄの４つのエリアに分割するものとする。もちろん、このような分割は便宜的なものにすぎず、実際の濃度は連続的に変化するものである。重希土類の濃度は、エリアａ＞エリアｂ＞エリアｃ＞エリアｄである。

このような焼結磁石１０を単にロータに形成された孔に挿入して埋め込む構成とした場合、ロータ内周側においても重希土類の濃度が高い領域が存在することとなる。ロータ内周側では反磁界が相対的に弱いので大きな保持力は必要ではないところ、このようにロータ内周側において重希土類の濃度を高くするのは無駄であり、重希土類の有効活用が図られずコスト増加を招く。

そこで、図１（ｂ）に示すように、直方体形状の焼結磁石１０を、磁化方向に垂直な平面で２等分して焼結磁石セグメント１０ａと焼結磁石セグメント１０ｂに分割する。図において、磁化方向が紙面の上下方向であるとすると、紙面に対して垂直方向の面で焼結磁石１０を２等分する。具体的には、焼結磁石１０を磁化方向に垂直な面で切断し、砥石、切削刃、ワイヤーソー等を用いて切削加工する。２等分して得られるそれぞれの焼結磁石セグメント１０ａ，１０ｂは、共に重希土類の濃度が互いに異なるエリアａ，ｂ，ｃ，ｄを備える。例えば、焼結磁石セグメント１０ａは、表面にエリアａが存在し、裏面にいくに従ってエリアｂ、エリアｃ、エリアｄの各エリアが重層的に存在する。一方、焼結磁石セグメント１０ｂは、表面にエリアｄが存在し、裏面にいくに従ってエリアｃ、エリアｂ、エリアａの各エリアが重層的に存在する。それぞれの焼結磁石セグメント１０ａ，１０ｂのサイズは、例えば長さ２０ｍｍ、幅５ｍｍである。そして、このようにして２等分して得られた焼結磁石セグメント１０ａ，１０ｂを、それぞれロータコアに形成された孔に挿入する。

図１（ｃ）に、ロータの１極あたりの構成を示す。図１（ｃ）に示すように、ロータコア１００に形成された２個の孔１０２にそれぞれ焼結磁石セグメント１０ａ，１０ｂを挿入する。この際、エリアａがロータコア１００の外周側、エリアｄがロータコア１００の内周側に位置するように挿入する。すなわち、焼結磁石セグメント１０ａを孔１０２に挿入する場合には、焼結磁石セグメント１０ａにおけるエリアａ側の面がロータコア１００の外周側に、エリアｄ側の面がロータコア１００の内周側に位置するように、焼結磁石セグメント１０ａの向きを調整して孔１０２に挿入する。焼結磁石セグメント１０ｂも同様であり、焼結磁石セグメント１０ｂにおけるエリアａ側の面がロータコア１００の外周側に、エリアｄ側の面がロータコア１００の内周側に位置するように、焼結磁石セグメント１０ｂの向きを調整して孔１０２に挿入する。

このように焼結磁石セグメント１０ａ，１０ｂをそれぞれロータコア１００の孔１０２に挿入することで、重希土類の濃度が相対的に高いエリアａがロータ外周近傍に位置し、重希土類の濃度が相対的に低いエリアｄがロータ内周近傍に位置するようになる。従って、反磁界が強いロータ外周近傍において重希土類の濃度を相対的に高くして保持力を大きくする一方、反磁界が弱いロータ内周近傍において重希土類の濃度を相対的に低くして重希土類の無駄を排除することができる。

３．ロータの他の製造方法
図２に、他の実施形態におけるＩＰＭモータのロータ製造方法を模式的に示す。図２（ａ）は、直方体形状の焼結磁石１０を磁化方向に平行な面で切断した断面図であり、図１（ａ）と同様である。重希土類が偏析（拡散浸漬）された焼結磁石は、磁化方向に平行な面において磁石表面近傍の重希土類元素の濃度が磁石内部の重希土類元素の濃度よりも相対的に高くなる。断面において、重希土類の濃度毎にａ，ｂ，ｃ，ｄの４つのエリアに分割するものとする。重希土類の濃度は、エリアａ＞エリアｂ＞エリアｃ＞エリアｄである。

次に、図２（ｂ）に示すように、直方体形状の焼結磁石１０を、磁化方向に垂直な平面で４等分して焼結磁石セグメント１０ａと焼結磁石セグメント１０ｂと焼結磁石セグメント１０ｃと焼結磁石セグメント１０ｄに分割する。焼結磁石セグメント１０ａ，１０ｄは共にエリアａ，ｂ，ｃを重層的に備え、焼結磁石セグメント１０ｂ，１０ｃは共にエリアａ，ｂ，ｃ，ｄを重層的に備える。

図２（ｃ）に、ロータ１極あたりの構成を示す。図２（ｃ）に示すように、ロータコア１００に２層にわたって形成された合計４個の孔１０２にそれぞれ焼結磁石セグメント１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄを挿入する。ロータ外周側の孔１０２には焼結磁石セグメント１０ａ，１０ｄを挿入し、ロータ内周側の孔１０２には焼結磁石セグメント１０ｂ，１０ｃを挿入する。この際、エリアａがロータコア１００の外周側、エリアｃあるいはエリアｄがロータコア１００の内周側に位置するように挿入する。すなわち、焼結磁石セグメント１０ａを外周側の孔１０２に挿入する場合には、焼結磁石セグメント１０ａにおけるエリアａ側の面がロータコア１００の外周側に、エリアｃ側の面がロータコア１００の内周側に位置するように、焼結磁石セグメント１０ａの向きを調整して孔１０２に挿入する。焼結磁石セグメント１０ｄも同様であり、焼結磁石セグメント１０ｄにおけるエリアａ側の面がロータコア１００の外周側に、エリアｃ側の面がロータコア１００の内周側に位置するように、焼結磁石セグメント１０ｂの向きを調整して孔１０２に挿入する。また、焼結磁石セグメント１０ｂを内周側の孔１０２に挿入する場合には、焼結磁石セグメント１０ｂにおけるエリアａ側の面がロータコア１００の外周側に、エリアｄ側の面がロータコア１００の内周側に位置するように、焼結磁石セグメント１０ｂの向きを調整して孔１０２に挿入する。焼結磁石セグメント１０ｃも同様であり、焼結磁石セグメント１０ｃにおけるエリアａ側の面がロータコア１００の外周側に、エリアｄ側の面がロータコア１００の内周側に位置するように、焼結磁石セグメント１０ｃの向きを調整して孔１０２に挿入する。

このように焼結磁石セグメント１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄをそれぞれロータコア１００の孔１０２に挿入することで、重希土類の濃度が相対的に高いエリアａがロータ外周近傍に位置し、重希土類の濃度が相対的に低いエリアｄがロータ内周近傍に位置するようになる。従って、反磁界が強いロータ外周近傍において重希土類の濃度を相対的に高くして保持力を大きくする一方、反磁界が弱いロータ内周近傍において重希土類の濃度を相対的に低くして重希土類の無駄を排除することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、種々の変更が可能である。

例えば、本実施形態では、ロータ内部に磁石を埋め込むＩＰＭモータについて例示してが、ロータの表面に永久磁石を装着するモータにおいても同様に適用することができる。すなわち、図１（ｂ）のように２等分して得られた焼結磁石セグメント１０ａ，１０ｂをそれぞれロータの表面に装着する際に、エリアａがロータ外周近傍に位置し、エリアｄがロータ内周側に位置するように向きを調整して装着する。

また、本実施形態では、重希土類を表面近傍の粒界に偏析（拡散浸漬）させた焼結磁石において、重希土類の濃度が相対的に高い面をロータ外周側に位置するように配置するものであり、重希土類の濃度が相対的に高い面における重希土類の濃度値は、ステータの反磁界で減磁しない程度の大きさの保持力が得られる程度でよく、そして、重希土類の濃度が相対的に低い面における濃度、すなわち分割前の焼結磁石の内部における濃度は、反磁界が弱いロータ内周側に位置するので従来よりも低い濃度でよく、この意味において重希土類元素の使用量を削減することが可能である。

また、本実施形態では、図１において直方体形状の焼結磁石１０を磁化方向に垂直な面で２等分しているが、「２等分」とは必ずしも厳密に２等分を意味するものではなく、略２等分を意味するものであり、焼結磁石セグメント１０ａと焼結磁石セグメント１０ｂとが互いに実質的に同一視できる程度に分割すればよい。

また、図２ではロータの２層構造に対応して直方体形状の焼結磁石１０を磁化方向に垂直な面で４等分しているが、ロータが３層構造の場合には磁化方向に垂直な面で６等分すればよく、以下同様にｎ層の場合には２ｎ等分すればよい。

また、本実施形態では、直方体形状の焼結磁石１０を等分割して得られる焼結磁石を焼結磁石セグメントと称しているが、焼結磁石セグメントの形状は必ずしも直方体形状である必要はなく、ロータの曲率に応じた曲面を有していてもよい。

１０ 焼結磁石 １０ａ〜１０ｄ 焼結磁石セグメント、１００ ロータコア、１０２ 孔。

Claims (3)

1. 永久磁石がロータコアに埋め込まれ、又はロータコア表面に装着されたロータと、
   前記ロータに対して所定の空隙を介して配置されたステータと、
   を備え、
   前記永久磁石は、重希土類元素を表面近傍の結晶粒界に偏析させた焼結磁石を磁化方向に垂直な面で分割して得られる複数の焼結磁石セグメントであり、
   前記複数の焼結磁石セグメントは、それぞれ前記重希土類元素の濃度が相対的に高い面が前記ロータの外周面側に位置し、前記重希土類元素の濃度が相対的に低い面が前記ロータの内周面側に位置するように前記ロータコアに埋め込まれ、又はロータコア表面に装着される
   ことを特徴とする永久磁石式モータ。
2. 請求項１記載のモータにおいて、
   前記永久磁石は、重希土類元素を表面近傍の結晶粒界に偏析させた焼結磁石を磁化方向に垂直な面で２等分して得られる複数の焼結磁石セグメントであることを特徴とする永久磁石式モータ。
3. 請求項１記載のモータにおいて、
   前記永久磁石は、重希土類元素を表面近傍の結晶粒界に偏析させた焼結磁石を磁化方向に垂直な面で４等分して得られる複数の焼結磁石セグメントであることを特徴とする永久磁石式モータ。

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