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技術 IPMモータ

出願人 株式会社ダイドー電子
発明者 藪見崇生
出願日 2016年8月31日 (5年2ヶ月経過) 出願番号 2016-168688
公開日 2018年3月8日 (3年8ヶ月経過) 公開番号 2018-038161
状態 特許登録済
技術分野 同期機の永久磁石界磁
主要キーワード インダクションモーター 磁石間距離 エアギャップ距離 ネック幅 粒界滑り 熱間押出成形 シフト量δ 各円弧状
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (5)

課題

マグネットトルクが大きく、かつ、リラクタンストルクの有効利用が可能なIPMモータを提供すること。

解決手段

IPMモータは、2n個(n≧1)の磁極を備えたインナーロータ20と、アウターステータとを備えている。インナーロータ20は、高透磁率材料からなるロータヨーク22と、ロータヨーク22の内部に埋め込まれた、1個の磁極当たり2個以上の円弧状磁石24(i,j)とを備えている。各円弧状磁石24(i,j)は、ラジアル配向磁石からなり、1個の磁極を構成する複数個の円弧状磁石24(i,j)は、同心円状に配置されている。1個の前記磁極を構成する複数個の円弧状磁石24(i,j)の平均形状焦点は、インナーロータ20の外周面近傍に位置する所定の大きさの矩形領域内にある。

概要

背景

モータには、
(a)ロータ電気伝導体を用いるインダクションモーターIM)、
(b)ロータの表面に永久磁石を貼り付けた表面磁石型(Surface Permanent Magnet; SPM)モータ、
(c)ロータの内部に永久磁石が埋め込まれた磁石埋込型(Interior Permanent Magnet;IPM)モータ
などの様々な構造を持つものが知られている。

これらの内、IPMモータは、マグネットトルクリラクタンストルクの双方を利用できるため、他のモータに比べて、使用可能な回転数域が広く、かつ、高速回転域においても高いトルクが得られるという利点がある。そのため、IPMモータは、電気自動車ハイブリッドカー駆動源として用いられている。
IPMモータのトルクは、マグネットトルクとリラクタンストルクの合成トルクとなる。また、ロータに埋め込まれる磁石の形状や配置は、IMPモータの合成トルクに大きな影響を与える。そのため、ロータに埋め込まれる磁石の形状や配置に関し、従来から種々の提案がなされている。

例えば、特許文献1には、
(a)ロータコア中に永久磁石が1極当たり複数個内蔵されており、
(b)ロータの軸心側にある磁石(内側磁石)とロータの外周側にある磁石(外側磁石)の間隔を、ステータスロットオープニング幅以上とする
ブラシレスDCモータが開示されている。

同文献には、
(a)内側磁石と外側磁石の間隔をステータのスロットオープニング幅以上とすると、磁石とステータティース最短エアギャップ距離で対向しうる領域が存在するために、永久磁石の磁束をステータティースに効果的に導くことができ、リラクタンストルクが向上する点、及び、
(b)ロータコア中に、1個の磁極当たり複数個の円弧状磁石を同心円状に配置する場合において、円弧状磁石の磁気配向の方向を種々の方向に制御すると、エアギャップにおける磁束密度が変化する点
が記載されている。

特許文献1に記載されているように、ロータコア中に、1個の磁極当たり複数個の円弧状磁石を同心円状に配置する場合において、円弧状磁石の磁気配向の方向を制御すると、リラクタンストルクが変化する。しかしながら、同文献には、「エアギャップにおける磁束分布をIPMの使用目的に応じて変更することがより容易となる」と記載されているだけであり、マグネットトルクの向上及びリラクタンストルクの有効利用に最も適した構造については記載も示唆もない。

概要

マグネットトルクが大きく、かつ、リラクタンストルクの有効利用が可能なIPMモータを提供すること。IPMモータは、2n個(n≧1)の磁極を備えたインナーロータ20と、アウターステータとを備えている。インナーロータ20は、高透磁率材料からなるロータヨーク22と、ロータヨーク22の内部に埋め込まれた、1個の磁極当たり2個以上の円弧状磁石24(i,j)とを備えている。各円弧状磁石24(i,j)は、ラジアル配向磁石からなり、1個の磁極を構成する複数個の円弧状磁石24(i,j)は、同心円状に配置されている。1個の前記磁極を構成する複数個の円弧状磁石24(i,j)の平均形状焦点は、インナーロータ20の外周面近傍に位置する所定の大きさの矩形領域内にある。

目的

本発明が解決しようとする課題は、マグネットトルクが大きく、かつ、リラクタンストルクの有効利用が可能なIPMモータを提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

以下の構成を備えたIMモータ。(1)前記IPMモータは、2n個(n≧1)の磁極を備えたインナーロータと、前記インナーロータに向かってティース放射状に配置され、かつ、前記ティースの周囲に、前記インナーロータ対して回転磁界を作用させるためのコイル巻き付けられたアウターステータとを備えている。(2)前記インナーロータは、シャフトと、前記シャフトの外周面接合された、高透磁率材料からなるロータヨークと、前記ロータヨークの内部に埋め込まれた、1個の前記磁極当たり2個以上の円弧状磁石とを備え、前記円弧状磁石は、ラジアル配向磁石からなり、1個の前記磁極を構成する複数個の前記円弧状磁石は、所定の間隔を隔てて同心円状に配置されている。(3)1個の前記磁極を構成する複数個の前記円弧状磁石の平均形状焦点は、(a)下端が、前記インナーロータの内部にある地点であって、前記インナーロータの外周面からR1/10(但し、R1は、前記インナーロータの外周面の半径)の距離にある位置以上にあり、(b)上端が、前記アウターステータの内部にある地点であって、前記アウターステータの内周面からR2/5(但し、R2は、前記アウターステータの内周面の半径)の距離にある位置以下に有り、(c)前記インナーロータの中心と前記円弧状磁石の中心を結ぶ線(中央線)を中心とし、幅が前記ティースの幅以下である矩形領域内にある。

請求項2

前記矩形領域の幅は、前記ティースの幅の1/2以下である請求項1に記載のIPMモータ。

請求項3

形状焦点のばらつき(3σ)が2mm以下である請求項1又は2に記載のIPMモータ。

請求項4

1個の前記磁極を構成する複数個の前記円弧状磁石の総厚さは、(2/100)×R1以上(25/100)×R1以下である請求項1から3までのいずれか1項に記載のIPMモータ。

技術分野

0001

本発明は、IPM(Interior Permanent Magnet)モータに関し、さらに詳しくは、ロータ内に1個の磁極当たり複数個円弧状磁石が同心円状に埋め込まれたIPMモータに関する。

背景技術

0002

モータには、
(a)ロータに電気伝導体を用いるインダクションモーターIM)、
(b)ロータの表面に永久磁石を貼り付けた表面磁石型(Surface Permanent Magnet; SPM)モータ、
(c)ロータの内部に永久磁石が埋め込まれた磁石埋込型(Interior Permanent Magnet;IPM)モータ
などの様々な構造を持つものが知られている。

0003

これらの内、IPMモータは、マグネットトルクリラクタンストルクの双方を利用できるため、他のモータに比べて、使用可能な回転数域が広く、かつ、高速回転域においても高いトルクが得られるという利点がある。そのため、IPMモータは、電気自動車ハイブリッドカー駆動源として用いられている。
IPMモータのトルクは、マグネットトルクとリラクタンストルクの合成トルクとなる。また、ロータに埋め込まれる磁石の形状や配置は、IMPモータの合成トルクに大きな影響を与える。そのため、ロータに埋め込まれる磁石の形状や配置に関し、従来から種々の提案がなされている。

0004

例えば、特許文献1には、
(a)ロータコア中に永久磁石が1極当たり複数個内蔵されており、
(b)ロータの軸心側にある磁石(内側磁石)とロータの外周側にある磁石(外側磁石)の間隔を、ステータスロットオープニング幅以上とする
ブラシレスDCモータが開示されている。

0005

同文献には、
(a)内側磁石と外側磁石の間隔をステータのスロットオープニング幅以上とすると、磁石とステータティース最短エアギャップ距離で対向しうる領域が存在するために、永久磁石の磁束をステータティースに効果的に導くことができ、リラクタンストルクが向上する点、及び、
(b)ロータコア中に、1個の磁極当たり複数個の円弧状磁石を同心円状に配置する場合において、円弧状磁石の磁気配向の方向を種々の方向に制御すると、エアギャップにおける磁束密度が変化する点
が記載されている。

0006

特許文献1に記載されているように、ロータコア中に、1個の磁極当たり複数個の円弧状磁石を同心円状に配置する場合において、円弧状磁石の磁気配向の方向を制御すると、リラクタンストルクが変化する。しかしながら、同文献には、「エアギャップにおける磁束分布をIPMの使用目的に応じて変更することがより容易となる」と記載されているだけであり、マグネットトルクの向上及びリラクタンストルクの有効利用に最も適した構造については記載も示唆もない。

先行技術

0007

特開平9−266646号公報

発明が解決しようとする課題

0008

本発明が解決しようとする課題は、マグネットトルクが大きく、かつ、リラクタンストルクの有効利用が可能なIPMモータを提供することにある。

課題を解決するための手段

0009

上記課題を解決するために本発明に係るIPMモータは、以下の構成を備えていることを要旨とする。
(1)前記IPMモータは、
2n個(n≧1)の磁極を備えたインナーロータと、
前記インナーロータに向かってティース放射状に配置され、かつ、前記ティースの周囲に、前記インナーロータ対して回転磁界を作用させるためのコイル巻き付けられたアウターステータ
を備えている。
(2)前記インナーロータは、
シャフトと、
前記シャフトの外周面接合された、高透磁率材料からなるロータヨークと、
前記ロータヨークの内部に埋め込まれた、1個の前記磁極当たり2個以上の円弧状磁石と
を備え、
前記円弧状磁石は、ラジアル配向磁石からなり、
1個の前記磁極を構成する複数個の前記円弧状磁石は、所定の間隔を隔てて同心円状に配置されている。
(3)1個の前記磁極を構成する複数個の前記円弧状磁石の平均形状焦点は、
(a)下端が、前記インナーロータの内部にある地点であって、前記インナーロータの外周面からR1/10(但し、R1は、前記インナーロータの外周面の半径)の距離にある位置以上にあり、
(b)上端が、前記アウターステータの内部にある地点であって、前記アウターステータの内周面からR2/5(但し、R2は、前記アウターステータの内周面の半径)の距離にある位置以下に有り、
(c)前記インナーロータの中心と前記円弧状磁石の中心を結ぶ線(中央線)を中心とし、幅が前記ティースの幅以下である
矩形領域内にある。

発明の効果

0010

インナーロータ内に、1個の磁極当たり複数個の円弧状磁石を同心円状に埋め込む場合において、円弧状磁石の平均形状焦点がインナーロータの外周面近傍に位置する狭い矩形領域内に来るように、円弧状磁石の形状及び配置を最適化すると、マグネットトルクが向上する。また、複数個の円弧状磁石を同心円状に配置すると、リラクタンストルクの有効利用が可能となる。その結果、IPMモータの合成トルクが向上する。

図面の簡単な説明

0011

1個の磁極当たり複数個の円弧状磁石が同心円状に配置されたインナーロータの斜視図である。
矩形領域の定義を説明するための模式図である。
R−T−B系希土類合金からなる円筒状磁石の製造方法の工程図である。
インナーロータ及びアウターステータの平面図である。

0012

以下に、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
[1.IPMモータ]
本発明に係るIPMモータは、以下の構成を備えている。
(1)前記IPMモータは、
2n個(n≧1)の磁極を備えたインナーロータと、
前記インナーロータに向かってティースが放射状に配置され、かつ、前記ティースの周囲に、前記インナーロータ対して回転磁界を作用させるためのコイルが巻き付けられたアウターステータと
を備えている。
(2)前記インナーロータは、
シャフトと、
前記シャフトの外周面に接合された、高透磁率材料からなるロータヨークと、
前記ロータヨークの内部に埋め込まれた、1個の前記磁極当たり2個以上の円弧状磁石と
を備え、
前記円弧状磁石は、ラジアル配向磁石からなり、
1個の前記磁極を構成する複数個の前記円弧状磁石は、所定の間隔を隔てて同心円状に配置されている。
(3)1個の前記磁極を構成する複数個の前記円弧状磁石の平均形状焦点は、
(a)下端が、前記インナーロータの内部にある地点であって、前記インナーロータの外周面からR1/10(但し、R1は、前記インナーロータの外周面の半径)の距離にある位置以上にあり、
(b)上端が、前記アウターステータの内部にある地点であって、前記アウターステータの内周面からR2/5(但し、R2は、前記アウターステータの内周面の半径)の距離にある位置以下に有り、
(c)前記インナーロータの中心と前記円弧状磁石の中心を結ぶ線(中央線)を中心とし、幅が前記ティースの幅以下である
矩形領域内にある。

0013

[1.1.インナーロータ]
図1に、インナーロータの斜視図を示す。図1において、インナーロータ20は、シャフト(図示せず)と、シャフトの外周面に接合された、高透磁率材料からなるロータヨーク22と、ロータヨーク22の内部に埋め込まれた、1個の磁極当たり複数個の円弧状磁石24(i,j)とを備えている。
ここで、「円弧状磁石24(i,j)」とは、i番目の磁極を構成する外側からj番目の円弧状磁石をいう。図1においては、i=1〜4、j=1〜4になっているが、これは単なる例示であり、磁極の数(i)及び1個の磁極当たりの円弧状磁石の数(j)は、目的に応じて最適な数を選択することができる。

0014

[1.1.1.磁極数
インナーロータ20は、2n個(n≧1)の磁極を備えている。磁極の数(2n=i)は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な個数を選択することができる。一般に、磁極の数が多くなるほど、コイルに鎖交する磁束の切替回数が増える。各極における磁石量の減り分を考慮しても、同じ回転数では、磁極の数が多くなるほど、トルク、及び発電量が向上する。このような効果を得るためには、磁極の数は、4極以上が好ましい。磁極の数は、さらに好ましくは、8極以上である。
一方、磁極の数が多くなりすぎると、ステータ形状巻線が複雑になり、モータ体格肥大化するという問題があり、特に小型モータで顕著となる。従って、磁極の数は、16極以下が好ましい。磁極の数は、さらに好ましくは、12極以下である。

0015

[1.1.2.ロータヨーク]
ロータヨーク22は、高透磁率材料からなる。ここで、「高透磁率材料」とは、円弧状磁石24(i,j)よりも比透磁率が高い材料をいう。
ロータヨーク22は、円弧状磁石24(i,j)を保持するためのものであると同時に、円弧状磁石24(i,j)と円弧状磁石24(i,j+1)との隙間にアウターステータ(図示せず)からの磁束を流入させ、リラクタンストルクを発生させるためのものである。そのため、ロータヨーク22を構成する材料の比透磁率は、高い程よい。

0016

高いリラクタンストルクを発生させるためには、ロータヨーク22を構成する材料の比透磁率は、50以上が好ましく、さらに好ましくは、500以上である。このような条件を満たす高透磁率材料としては、例えば、
(a)3%Si−Fe、6.5%Si−Feなどの電磁鋼板
(b)パーメンジュール(Fe−Co合金)、アモルファスFe基Co基)、ナノ結晶合金(Fe−Si−B−Cu−Nb系)
などがある。図1に示す例では、ロータヨーク22には、電磁鋼板の積層体が用いられている。

0017

[1.1.3.円弧状磁石]
高いリラクタンストルクを得るためには、d軸方向(磁極が作る磁束の方向;図1に示すような円弧状磁石においては、ロータ中心と円弧状磁石中央を結ぶ方向)におけるインダクタンスLdと、q軸方向(d軸と直交方向)におけるインダクタンスLqの差を大きくする必要がある。Ldを大きくするためには、円弧状磁石を用いる必要がある。その理由は、q軸方向において、磁気抵抗の大きな磁石によって磁路を妨げられないようにするためであり、円弧状磁石を用いることにより、磁気抵抗の小さい高透磁率材料を通る磁路を形成できる。

0018

[A. 1個の磁極当たりの円弧状磁石の数]
1個の磁極当たりの円弧状磁石24(i,j)の数(j)は、2個以上である必要がある。その理由は、例えば、厚みDを持つ円弧状磁石を1つ用いるよりも、厚みD/2を持つ円弧状磁石を用いた方が磁石間に位置するロータヨーク22が、上記した「磁気抵抗の小さい高透磁率材料を通る磁路」になるためである。即ち、2個以上の円弧状磁石を用いることで、磁石と磁石の間のロータヨーク22を利用することでLqが小さくなるため、リラクタンストルクを向上することが可能となる。
一方、jが大きくなりすぎると、合成トルクの向上効果飽和するだけでなく、磁石の製造コストロータ組立コストが増加したり、あるいは、インナーロータ20の強度が低下する。従って、jは、5以下が好ましく、さらに好ましくは、3以下である。

0019

[B.円弧状磁石の磁気配向]
各円弧状磁石24(i,j)は、それぞれ、ラジアル配向磁石からなる。また、i番目の磁極を構成する複数個の円弧状磁石24(i,j)は、所定の間隔を隔てて同心円状に配置されている。これは、
(a)i番目の磁極を構成する各円弧状磁石24(i,j)からの磁束を、ある1点に集中させるため、及び、
(b)円弧状磁石24(i,j)と円弧状磁石24(i,j+1)との間の隙間を、アウターステータからの磁束が流れる磁路として利用するため、
である。
なお、ラジアル配向させた円弧状磁石を同心円状に配置した場合、各円弧状磁石の磁気配向の焦点は、各円弧状磁石の形状焦点にほぼ一致する。「形状焦点」については、後述する。

0020

i番目の磁極を構成する各円弧状磁石24(i,j)は、それぞれ、同一のラジアル方向(例えば、円弧から中心に向かう方向)に着磁されている。また、i番目の磁極を構成する各円弧状磁石24(i,j)は、それぞれ、(i+1)番目の磁極を構成する各円弧状磁石24(i+1,j)とは逆方向に着磁されている。換言すれば、各円弧状磁石24(i,j)は、インナーロータ20の円周方向に沿って、N極とS極とが交互に配列するように着磁されている。

0021

[C.円弧状磁石の材料]
円弧状磁石24(i,j)の材料は、ラジアル配向させることが可能であり、かつ、保磁力の高い材料であれば良い。このような材料としては、例えば、R−T−B系希土類合金(Rは、Ndなどの希土類元素、Tは、Feなどの遷移金属元素)がある。R−T−B系希土類合金は、熱間加工プロセスを用いることで、高い磁気特性が得られ、かつ、ラジアル配向が容易であるので、円弧状磁石24(i,j)の材料として好適である。

0022

[D.円弧状磁石の平均形状焦点]
1個の前記磁極を構成する複数個の前記円弧状磁石の平均形状焦点は、
(a)下端が、前記インナーロータの内部にある地点であって、前記インナーロータの外周面からR1/10(但し、R1は、前記インナーロータの外周面の半径)の距離にある位置以上にあり、
(b)上端が、前記アウターステータの内部にある地点であって、前記アウターステータの内周面からR2/5(但し、R2は、前記アウターステータの内周面の半径)の距離にある位置以下に有り、
(c)前記インナーロータの中心と前記円弧状磁石の中心を結ぶ線(中央線)を中心とし、幅が前記ティースの幅以下である
矩形領域内にある。

0023

ここで、「平均形状焦点」とは、1個の磁極を構成するすべての円弧状磁石の円弧を円周方向に等10分割し、各部位の外周弧及び内周弧の中心を加重平均した点をいう。
「形状焦点」とは、1個の円弧状磁石について、上記と同様にして求めた点をいう。

0024

図2に、矩形領域の定義を説明するための模式図を示す。矩形領域(図2中、ハッチングを施した領域)の下端の辺は、インナーロータ20の外周面からR1/10の位置にある。また、矩形領域の上端の辺は、アウターステータ40の内周面からR2/5の位置にある。さらに、矩形領域は、インナーロータ20と円弧状磁石の中心を結ぶ線(中央線)を中心とし、矩形領域の幅は、ティース42の幅(ネック幅)(W)に等しくなっている。

0025

平均形状焦点がアウターステータ40の内周面から少しアウターステータ40側に入った位置にある時に、マグネットトルクは最大となる。しかし、平均形状焦点位置がアウターステータの内周面から過度に遠ざかると、マグネットトルクはかえって減少する。
一方、形状焦点がインナーロータ20の外周面から少しインナーロータ20側に入った位置にある時に、リラクタンストルクは最大となる。しかし、平均形状焦点の位置がインナーロータ20の外周面から過度に遠ざかると、リラクタンストルクはかえって減少する。そのため、平均形状焦点が上述した領域内にある時に、合成トルクが最大となる。

0026

また、平均形状焦点は、インナーロータ20の中心と円弧状磁石24(i,j)の中心とを結ぶ中央線上にあるのが最も好ましいが、平均形状焦点の位置が中央線から左右にずれていても良い。しかし、左右方向のずれ(δ)が大きくなると、モータを右回転させた時と左回転させた時の特性の差が大きくなる。右回転時と左回転時のマグネットトルクの差を5%以内とするためには、矩形領域の幅は、ティース42の幅(W)以下が好ましい。また、マグネットトルクの差を3%以内とするためには、矩形領域の幅は、ティース42の幅(W)の1/2以下が好ましい。

0027

[E.円弧状磁石の形状焦点のばらつき]
i番目の磁極を構成する各円弧状磁石24(i,j)は、理想的には、
(a)各円弧状磁石24(i,j)の形状焦点が完全に一致しており、かつ、
(b)各円弧状磁石24(i,j)の形状焦点が上述した矩形領域内にある
のが好ましい。しかしながら、実際には、各円弧状磁石24(i,j)の形状焦点が理想的な位置からずれることがある。

0028

各円弧状磁石24(i,j)の形状焦点が理想的な位置からずれている場合であっても、そのばらつきが所定の範囲内であれば、高いマグネットトルクが得られる。高いマグネットトルクを得るためには、形状焦点のばらつき(3σ)は、2mm以下が好ましい。形状焦点のばらつき(3σ)は、好ましくは、1.5mm以下、さらに好ましくは、1.0mm以下、さらに好ましくは、0.1mm以下である。
ここで、「形状焦点のばらつき(3σ)」とは、1個の磁極を構成する各円弧状磁石の円弧を円周方向に等10分割し、各部位の外周弧又は内周弧の中心と、平均形状焦点との間の直線距離標準偏差(σ)の3倍の値をいう。

0029

[F.円弧状磁石の総厚さ]
1個の磁極を構成する複数個の円弧状磁石の総厚さは、合成トルクに影響を与える。一般に、円弧状磁石の総厚さが薄くなるほど、リラクタンストルクは高くなるが、マグネットトルクは低下する。高い合成トルクを得るためには、円弧状磁石の総厚さは、(2/100)×R1(R1は、インナーロータの外径)以上が好ましい。
一方、円弧状磁石の総厚さが厚くなるほど、マグネットトルクは高くなるが、リラクタンストルクは低下する。高い合成トルクを得るためには、円弧状磁石の総厚さは、(25/100)×R1以下が好ましい。

0030

[G.円弧状磁石の真円度
i番目の磁極を構成する各円弧状磁石24(i,j)は、理想的には、外周面及び内周面が真円弧であるのが好ましい。しかしながら、実際には、各円弧状磁石24(i,j)の外周面及び/又は内周面が、理想的な真円からずれることがある。
一般に、各円弧状磁石24(i,j)の外周面形状及び/又は内周面形状の真円からのずれが大きくなるほど、各円弧状磁石24(i,j)からの磁力線が分散するので、マグネットトルクが小さくなる。また、円弧状磁石24(i,j)と円弧状磁石24(i,j+1)との間の距離が不均一となるため、リラクタンストルクも小さくなる。

0031

高い合成トルクを得るためには、i番目の磁極を構成する各円弧状磁石24(i,j)の外周面及び内周面は、それぞれ、次の(1)式で表される真円度Cが0.5mm以下であるのが好ましい。真円度Cは、好ましくは、0.1mm以下である。

0032

C(mm)=rmax−rmin ・・・(1)
但し、
ramxは、前記円弧状磁石の外周面(又は、内周面)に接する同心円の内、最小の外接円の半径(mm)、
rmminは、前記円弧状磁石の外周面(又は、内周面)に接する同心円の内、最大の内接円の半径(mm)。

0033

[H.円弧状磁石の平均厚さ]
各円弧状磁石24(i,j)の平均厚さtm(i,j)は、特に限定されない。各円弧状磁石24(i,j)の平均厚さtm(i,j)は、互いに同一であっても良く、あるいは、異なっていても良い。
ここで、「円弧状磁石24(i,j)の平均厚さtm(i,j)」とは、次の(2)式で表される値をいう。

0034

tm(i,j)={tmax(i,j)+tmin(i,j)}/2 ・・・(2)
但し、
tmax(i,j)は、i番目の磁極のj番目の円弧状磁石の厚さの最大値
tmin(i,j)は、i番目の磁極のj番目の円弧状磁石の厚さの最小値

0035

各円弧状磁石24(i,j)の平均厚さtm(i,j)が互いに同一である場合、リラクタンストルクの磁化容易軸において、磁束の通過を阻害する磁気抵抗を低下させる部位がなく、所望のリラクタンストルクを実現できる。
一方、各円弧状磁石24(i,j)の平均厚さtm(i,j)が互いに異なっている場合、リラクタンストルクの磁化容易軸において、磁束の通過を阻害する磁気抵抗を低下させる部位が発生し、所望のリラクタンストルクを実現することが困難となる。
従って、各円弧状磁石24(i,j)の平均厚さtm(i,j)は、互いに同一であるのが好ましい。

0036

一般に、平均厚さtm(i,j)が大きくなるほど、マグネットトルクは向上するが、リラクタンストルクが低下する傾向となる。よって、用途に応じて、低速回転に有効なマグネットトルクと高速回転に有効なリラクタンストルクの比率を適正とする必要がある。
例えば、平均厚さtm(i,j)を相対的に大きくすることで、マグネットトルク(の最大値)≧リラクタンストルク(の最大値)とすることが可能であり、低速回転に有効である。
他方、平均厚さtm(i,j)を相対的に小さくすることで、リラクタンストルク(の最大値)≧マグネットトルク(の最大値)とすることが可能であり、高速回転に有効である。

0037

[I.円弧状磁石の平均磁石間距離
本発明において、平均磁石間距離dm(i,j)は、特に限定されるものではなく、少なくとも、隣接する円弧状磁石24(i,j)と円弧状磁石24(i,j+1)との間に高透磁率材料(ロータヨーク22)を挿入可能な間隔であれば良い。平均磁石間距離dm(i,j)は、互いに同一であっても良く、あるいは、異なっていても良い。
ここで、「平均磁石間距離dm(i,j)」とは、次の(3)式で表される値をいう。

0038

dm(i,j)={dmax(i,j)+dmin(i,j)}/2 ・・・(3)
但し、
dmax(i,j)は、i番目の磁極のj番目の磁石間距離d(i,j)の最大値、
dmin(i,j)は、i番目の磁極のj番目の磁石間距離d(i,j)の最小値。

0039

一般に、平均磁石間距離dm(i,j)が大きくなるほど、リラクタンストルクは向上するが、マグネットトルクが低下する傾向となる。よって、用途に応じて、低速回転に有効なマグネットトルクと高速回転に有効なリラクタンストルクの比率を適正とする必要がある。
例えば、平均磁石間距離dm(i,j)を相対的に大きくすることで、リラクタンストルク(の最大値)≧マグネットトルク(の最大値)とすることが可能であり、低速回転に有効である。
他方、平均磁石間距離dm(i,j)を相対的に小さくすることで、マグネットトルク(の最大値)≧リラクタンストルク(の最大値)とすることが可能であり、高速回転に有効である。

0040

[J.円弧状磁石の磁石間距離のばらつき]
真円弧からなる複数個の円弧状磁石24(i,j)が同心円状に配列している場合、平均磁石間距離dm(i,j)は、場所によらず同一となる。しかしながら、実際には、円弧状磁石24(i,j)の外周面形状及び/又は内周面形状が真円弧からずれていたり、あるいは、並進及び/又は回転によって、円弧状磁石24(i,j)が理想的な位置からずれることがある。
この場合、ずれの種類(並進、回転)や大きさによっては、円弧状磁石24(i,j)−24(i,j+1)間の磁石間距離d(i,j)が場所によって異なることがある。一般に、磁石間距離d(i,j)が場所によって大きく異なっていると、磁化容易軸において、磁束の通過を阻害する磁気抵抗を低下させる部位が発生し、所望のリラクタンストルクを得ることができない。

0041

従って、磁石間距離のばらつきσ(i,j)は、小さい程よい。ここで、「磁石間距離のばらつきσ(i,j)」とは、次の(4)式で表される値をいう。
σ(i,j)={dmax(i,j)−dmin(i,j)}/tm ・・・(4)
但し、
dmax(i,j)は、i番目の磁極のj番目の磁石間距離d(i,j)の最大値、
dmin(i,j)は、i番目の磁極のj番目の磁石間距離d(i,j)の最小値、
tmは、tm(i,j)の平均値(円弧状磁石の全平均厚さ)。

0042

高いリラクタンストルクを得るためには、磁石間距離のばらつきσ(i,j)は、それぞれ、1/6以下が好ましい。磁石間距離のばらつきσ(i,j)は、さらに好ましくは、1/12以下である。

0043

[1.2.アウターステータ]
アウターステータは、中央にインナーロータを挿入するための貫通穴を備えており、貫通穴の内表面には、界磁コイル鉄芯となるティースが放射状に配置されている。また、アウターステータは、インナーロータに対して回転磁界を作用させるためのコイルが内蔵されている。本発明において、アウターステータの構造(例えば、ティースの構造、コイルの巻き線方式など)は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な構造を選択することができる。

0044

[2.円弧状磁石の製造方法]
本発明において、円弧状磁石には、ラジアル配向磁石が用いられる。ラジアル配向磁石の製造方法は、特に限定されるものではなく、磁石材料組成に応じて最適な方法を選択することができる。
例えば、円弧状磁石の材料として、R−T−B系希土類合金を用いる場合、
(a)熱間押出成形法を用いて円筒状磁石を製造し、
(b)得られた円筒状磁石を軸方向に分割して円弧状磁石を得る
のが好ましい。
R−T−B系希土類合金は、加圧方向に磁化容易軸が配向する性質があるため、熱間押出成形法を用いると、容易にラジアル配向磁石を得ることができる。

0045

図3に、R−T−B系希土類合金からなる円筒状磁石の製造方法の工程図を示す。
まず、超急冷法を用いて、R−T−B系希土類合金からなる原料粉末を作製する(図3(a))。超急冷法により製造された原料粉末(〜150μm)は、微細な等軸形状の結晶粒(0.02μm)からなる主相(R2T14B結晶(2−14−1結晶))を含んでおり、個々の主相の磁化容易軸(c軸)がランダムな方向を向いた無配向組織を呈している。

0046

次に、このような原料粉末を冷間成形する(図3(b))。これにより、無配向組織の圧粉成形体が得られる。圧粉成形体の密度は、成形条件にもよるが、通常、真密度の70%程度となる。

0047

次に、得られた冷間成形体熱間成形する(図3(c))。これにより、成形体が緻密化する。この時、金属組織の大部分は等軸形状粒のままであるため、続く熱間押出成形における異方形状粒の成長及び配列を阻害することはない。

0048

次に、緻密化した熱間成形体をさらに熱間押出成形する(図3(d))。これにより、異方形状粒の成長が進行すると同時に、粒界相が液相化し、粒界滑りが起きる。この時、異方形状粒は、その形状の異方性によって、c軸が圧縮方向(図3(d)の例ではラジアル方向)に平行となるように回転する。その結果、微細な異方形状粒を含み、かつ、異方形状粒の磁化容易軸がラジアル方向に配向したR−T−B系希土類磁石が得られる。
さらに、得られた円筒状磁石を所定の中心角となるように軸方向に分割すれば、ラジアル配向した円弧状磁石が得られる。

0049

[3. 作用]
インナーロータ内に、1個の磁極当たり複数個の円弧状磁石を同心円状に埋め込む場合において、円弧状磁石の平均形状焦点がインナーロータの外周面近傍に位置する狭い矩形領域内に来るように、円弧状磁石の形状及び配置を最適化すると、マグネットトルクが向上する。また、複数個の円弧状磁石を同心円状に配置すると、リラクタンストルクの有効利用が可能となる。その結果、IPMモータの合成トルクが向上する。

0050

(実施例1)
[1.モータの作製]
図4に、本発明に係るIPMモータの平面図を示す。図4において、IPMモータ10は、インナーロータ20と、アウターステータ40とを備えている。インナーロータ20には、1個の磁極当たり3個の円弧状磁石24(i.j)が埋め込まれている。また、アウターステータ40の内周面側には、ティース42、42…が放射状に配置されている。さらに、ティース42、42…の周囲には、コイル(図示せず)が巻き付けられている。
このようなIPMモータ10のインナーロータ20内に、曲率半径又は厚さの異なる種々の円弧状磁石24(i,j)を埋め込んだ。磁極の数(i)は、4極とした。

0051

[2.試験方法及び結果]
[2.1.平均形状焦点のラジアル方向の位置]
1つの磁極を構成する円弧状磁石24(i,j)の平均形状焦点の位置が図4に示すA点〜F点に来るように、各円弧状磁石24(i,j)の曲率半径を変化させた。A点〜F点は、いずれも中央線上にある。図4中、C点はアウターステータ40の内周面上の点であり、D点はインナーロータ20の外周面上の点である。
BC間距離は、R2/5(R2は、アウターステータ40の内周面の半径)とした。AC間距離は、2×R2/5とした。DE間距離は、R1/10(R1は、インナーロータ20の外周面の半径)とした。DF間距離は、2×R1/10とした。さらに、CD間距離(ロータ/ステータ間ギャップ=R2−R1)は、1mmとした。

0052

表1に、平均形状焦点の位置とトルクとの関係を示す。表1より、以下のことがわかる。
(1)平均形状焦点がB〜D間にある場合、マグネットトルクが高くなった。
(2)平均形状焦点がD〜F間にある場合、リラクタンストルクが高くなった。
(3)平均形状焦点がB〜E間(R1/10〜R2/5の領域内)にある場合、合成トルクが高くなった。

0053

0054

[2.2. 形状焦点のばらつき]
1つの磁極を構成する円弧状磁石24(i,j)の平均形状焦点は、図4のD点(インナーロータ20の外周面)又はC点(アウターステータ40の内周面)上にあるが、各円弧状磁石24(i,j)の個々の形状焦点がばらつくように、各円弧状磁石24(i,j)の曲率半径を変化させた。表2に、平均形状焦点がD点上にある場合の形状焦点のばらつき(3σ)とトルクとの関係を示す。表3に、平均形状焦点がC点上にある場合の形状焦点のばらつき(3σ)とトルクとの関係を示す。表2及び表3より、形状焦点のばらつきが小さくなるほど、合成トルクが高くなることがわかる。

0055

0056

0057

[2.3.円弧状磁石の総厚さ]
1つの磁極を構成する円弧状磁石24(i,j)の平均形状焦点は、図3のD点(インナーロータ20の外周面)上にあるが、1つの磁極を構成する円弧状磁石24(i,j)の総厚さを変化させた。
表4に、平均形状焦点がD点上にある場合の磁石の総厚さとトルクとの関係を示す。表4より、磁石の総厚さが所定の範囲にあるときに、合成トルクが高くなることがわかる。

0058

0059

[2.4.平均形状焦点の円周方向の位置]
平均形状焦点のラジアル方向の位置(図2のy方向の位置)は、上述したB〜E点と同様であるが、円周方向の位置(図2のx方向の位置)が中央線からシフトしているモータを作製し、左右回転時のトルク差を評価した。中央線からのシフト量δは、0〜3W/4(Wは、ティースの幅)とした。
表5に、中央線からのシフト量と左右回転のトルク差の関係を示す。表5より、シフト量δをW/2以下にする(すなわち、矩形領域の幅をティースの幅(W)以下にする)と、左右回転のトルク差が5%以下になることがわかる。

0060

実施例

0061

以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら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内で種々の改変が可能である。

0062

本発明に係るIPMモータは、電気自動車やハイブリッドカーの駆動用モータとして使用することができる。

0063

10IMPモータ
20インナーロータ
22ロータヨーク
24円弧状磁石
40 アウターステータ

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