JP4336446B2

JP4336446B2 - 希土類焼結永久磁石焼結体と永久磁石型同期モータ

Info

Publication number: JP4336446B2
Application number: JP2000198015A
Authority: JP
Inventors: 健大橋
Original assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Priority date: 1999-06-30
Filing date: 2000-06-30
Publication date: 2009-09-30
Anticipated expiration: 2020-06-30
Also published as: JP2001078402A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、希土類焼結永久磁石焼結体と、高速回転を行う電気自動車用モータやＦＡモータ等に最適な永久磁石型同期モータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
希土類磁石は、主に音響・映像分野の電気・電子機器に使用される小型モータの材料として用いられている。その理由は、保磁力及び残留磁束密度の大きな希土類磁石を用いると、モータ設計の自由度が大幅に向上するため、小型で、偏平かつ高効率なモータを作製して、電気・電子機器に組込むことが可能となるからである。
このような小型モータは、概ね定格が１００Ｗ以下であるため、モータ効率を損失させる要素として、希土類磁石に発生する渦電流やそれに伴う発熱は、他のモータ効率損失要素に比べると、モータ効率に与える影響は小さかったことから特に問題にはならなかった。
【０００３】
ところが、近年、ＡＣサーボモータとして、定格が数百Ｗ〜数十ｋＷ、電気自動車駆動用モータとして、１０ｋＷ〜数十ｋＷ級の大容量ＤＣブラシレスモータに希土類磁石が使用されるようになった。大容量ＡＣサーボモータや電気自動車駆動用モータのロータ（回転子）に使用される希土類磁石は、小型モータのロータに使用されるものよりも格段に大きく、かつ高回転（例えば、５０００ｒｐｍ以上）を要求されることが多い。そのため、希土類磁石に生じる渦電流やそれに伴う発熱による永久磁石の熱減磁やモータ効率の低下が問題となっている。また、ロータの磁石に逆磁場が印加されたり、電機子磁場の急激な変化を伴う制御など、モータ制御の面からも同様に渦電流が深刻な問題となっている。これらは小型モータにはなかった問題である。
【０００４】
希土類磁石の電気抵抗は１０^-4Ω・ｃｍ台であり、鉄系材料の１０^-6Ω・ｃｍ台に比較すれば相対的に高い抵抗を示す。しかし、希土類磁石は脆性材料で、かつバルク形状で使用されるため、鉄系材料のように薄板化して打抜き・絶縁積層することにより高抵抗化することはできない。
従来のモータに用いられていたフェライト磁石は本質的に絶縁体であるので、フェライト磁石を用いた従来の同期モータでは、磁石に生じる渦電流は全く問題にならなかった。しかし、フェライト磁石は磁気特性が低いため、フェライト磁石を用いた大型同期モータは実用化されていない。一方、希土類磁石は抵抗値に程度の差はあるが、金属材料であるといえる。
したがって、前記のような使用分野・条件下では、希土類磁石に生じる渦電流によるモータ効率の低下、希土類磁石の発熱による該磁石の減磁が深刻である。なお、ロータコアは鉄系薄板の積層又は鉄系バルクコアであるため、この部分に生じる損失（渦電流損、鉄損）は従来と同じである。
【０００５】
希土類磁石に生じる渦電流を低減するには、フェライト磁石のように磁石素材の電気抵抗を大きくするか、磁石を細分化したセグメント磁石を接着固化して所要の大きさの磁石とする方法が有効である。
しかし、前者の方法は磁石特性と両立させることが極めて困難であるため、現在のところ実際になされた報告はほとんどない。
一方、後者の方法は現実的な方法ではあるものの、磁石の製造工程が増加し、製造コストの増加や磁石重量歩留まりの低下を招く。また、磁石の表面処理の工程において、セグメント磁石の接着部に良好なコーティングを施すことができないため、耐蝕性の低下を招く危険性がある。セグメント磁石を接着固化せず小磁石のまま用いることも考えられるが、磁石間の反発力に抗して小磁石をロータに組込み、固着することは難しく、また、組み合わせた時の寸法精度も低下する。
【０００６】
磁石に生じる渦電流の問題を解決することはできないが、取敢えず高温で使用できるようにする方法として、希土類磁石の耐熱性を向上させて、磁石が昇温しても減磁させないようにする方法も考えられる。例えば、ＮｄＦｅＢ系焼結磁石では、Ｄｙのような元素を合金組成に加えることにより、保磁力が増大し、耐熱性が向上することが知られている。室温での保磁力を増大させることにより、磁石が高温に晒されても減磁しないだけの充分な保磁力が確保できる。なお、電装用モータとしては、ＮｄＦｅＢ磁石に１５０℃程度の耐熱性が要求され、電気自動車駆動用モータとしては、２００℃までの耐熱性が要求される。
しかしながら、ＮｄＦｅＢ系磁石では、保磁力を増大させるために上記元素を添加すると、残留磁化の低下を伴うため、磁石から取出せる磁束が減少する。また、耐熱性を向上させた磁石は、原料コストの増加を招くため、使用できる分野が限定される。
【０００７】
こうした問題点に対し、本発明者は、表面に複数のスリットを設けて、磁石の有効断面積を低下させ、それにより渦電流を低減させる希土類磁石と同期モータを発明した（特願平１１−９５４４０号参照）。該発明は渦電流の低減に有効であるが、スリットを設けた磁石の下部には、スリットの入らないバルク状の部分が存在する。そして、スリットのある部分では渦電流が低減されるが、スリットのない部分には渦電流が流れるため、渦電流の低減効果はスリットの深さと相関していた。しかし、該スリットの深さを大きくしすぎると、磁石の抗折力など、機械特性が低下しすぎるので好ましくない。したがって、上記発明には、渦電流の低減効果はあるが、その低減効果の程度は、スリットの深さに概ね比例していた。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
以上説明したように、容量がｋＷ級以上の永久磁石型同期モータでは、高速回転時にロータの希土類磁石に生じる渦電流による該磁石の昇温と、それに伴う磁石の減磁、モータ効率の低下が大きな問題であった。
そこで、本発明は、耐渦電流性を有する希土類焼結磁石焼結体と、ロータに該焼結体を使用して、希土類磁石に生じる渦電流の発生を大幅に低減させた永久磁石型同期モータを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記課題を解決するため、希土類焼結磁石の実効的な電気抵抗を向上させることについて鋭意検討した結果、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明は、上面及び下面の両方にスリットが設けられており、これらの面の一方の面にあるスリットは、他方の面にあるスリットと面上の方向が異なり、かつ、上面及び下面のそれぞれにおける最も深いスリットの深さの合計が、上面と下面の間の長さの１〜５／３倍である希土類焼結永久磁石焼結体と、前記スリットを設けた面が概ね電機子に対向するように該焼結体を配した内部磁石ロータを有する永久磁石型同期モータである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の特徴は、上記したように、永久磁石型同期モータのロータに組み込む希土類焼結永久磁石焼結体の上面及び下面、すなわち、渦電流が主に生じる電機子側の磁石表面及びその相対する面の両方にスリットを設けてあり、これらの面の一方の面にあるスリットは、他方の面にあるスリットと面上の方向が異なり、かつ、上面及び下面のそれぞれにおける最も深いスリットの深さの合計が、上面と下面の間の長さの１〜５／３倍とした点にある。これにより、渦電流の生じる実効面積を低下させて、渦電流の発生を大幅に抑制することができる。
渦電流は磁束変化を妨げる向きに導体上に発生する電流である。モータにおいて渦電流が生じる原因は、ロータが回転することによりロータとステータ（電機子）の相対位置が変化し、スロット部分で特に磁束変化が大きくなるのが１つの原因である。また、電機子で作る回転磁束が滑らかなサイン波ではない点も渦電流の原因の１つである。さらには、電機子に流す電機子電流の高周波キャリア電流に伴う渦電流である。したがって、渦電流が生じるのは磁石の部分のみではないが、渦電流による発熱により磁石では熱減磁が起きるため、他の部材より渦電流の影響が深刻である。
【００１１】
渦電流は磁束変化部分で生じるため、ロータに組み込んだ磁石において渦電流が特に問題となる部分は、電機子側の磁石表面である。
磁束変化により渦電流の流れる近傍の実効的抵抗値を上げることができれば、渦電流による影響を避けることができることになる。磁石の厚み方向全域を切断して非導電剤で固着一体化することにより、渦電流の流れる実質的な表面積を低減することが一番確実であるが、既に述べたように製造コストの増加や歩留まりの低下等の問題がある。そこで、渦電流の表皮深さより十分に深いスリットを磁石の表面に形成してやることにより、渦電流の低減が可能となる。
本発明においてスリットの形成は、磁束変化の主に起こる面である電機子側の表面とそれに相対する面で行い、該一対の面のスリットは互いに有意な角度をなしていることが特徴である。
【００１２】
以下、本発明について図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の希土類焼結磁石焼結体の１例を示した説明図である。図１に示す希土類焼結磁石焼結体では、スリット磁石上面３と、スリット磁石側面４に示されたスリット磁石下面には、それぞれ上面スリット１、下面スリット２が２本ずつ、２対のスリットが設けられているが、スリットの数は、目標とする渦電流の低減度合いによるので、最低、上面及び下面に１本ずつ、１対あればよい。なお、スリットの数は、上面及び下面で同数にする必要はない。
また、図１ではスリット磁石上面とスリット磁石下面に設けられた相対するスリット１、２はほぼ直交しているが、面上の方向が異なっていればよく、特に直角である必要はない。概ね１０°以上の角度を持っていればよく、９０°までの間の任意の角度でよい。
【００１３】
スリットの深さは、図１の例では上面及び下面に設けられた一対のスリットの深さの合計は、ほぼ磁石焼結体の厚みと同等となっているが、本発明では、上面及び下面のそれぞれにおける最も深いスリットの深さの合計が、上面と下両の間の長さ（すなわち、磁石焼結体の厚み）の１〜５／３倍の範囲となるようにする限りにおいて任意である。上記したスリットの深さの合計が、上面と下面の間の長さの５／３倍を超えると、磁石焼結体の機械強度（とりわけ抗折力）が大きく低下する。逆に、上記したスリットの深さの合計が１倍未満であると、渦電流の低減効果が小さくなる。
【００１４】
スリットの長さは、図１に示したように、磁石幅の方向に磁石幅と同じ長さ、すなわち、磁石の端から端までスリットの入っている場合が、渦電流低減のためには一番望ましい。しかし、図２に例示したように、磁石幅よりも短い長さであっても、磁石幅の２／３程度以上の長さがあれば、渦電流の流れる経路を充分に大きくすることができるので、渦電流の優れた低減効果が認められる。しかも、この場合は磁石焼結体の機械強度の低下を低減できるというメリットもある。
なお、図２の（ａ）は、磁石焼結体の端から面の途中にスリット１、２を設けた場合、（ｂ）は面内にスリット１、２を設けた場合を示す。
【００１５】
スリットの幅は、磁束分布を乱す効果が少なく、かつ磁束量の減少がなるべく起こらないように、１ｍｍ以下の狭い幅にするのが好ましい。スリットの幅が１ｍｍを超えると、表面の磁石ロスによる磁束密度分布への影響が大きくなりすぎるので好ましくない。スリットは内周刃あるいは外周刃切断機やワイヤーソー等で溝切りして形成するため、切断刃やワイヤーの厚みを考慮すると、望ましくは０．８ｍｍ以下である。一方、スリットの幅の下限は幾らでもよいが、切断機であるワイヤーソーの制約から０．０５ｍｍ以上が実際的である。
【００１６】
希土類焼結磁石の表面にスリットを形成するには、該磁石の大きさや形状等を考慮して有利な方法を選択すればよい。例えば、ワイヤーソーを使用すると、１度に複数のスリットを刻むことができ、かつスリットの幅をワイヤー径近くまで狭くできるが、溝切り速度が遅い。また、切断機を使用すると、溝切り速度が速く、外周刃切断機ならば複数のスリットを刻めるが、スリットの幅がワイヤーソーより大きくなる。磁粉の圧粉成形時に、パンチに突起を設けて成形体にスリットを形成する方法も考えられるが、かかる方法ではスリットの幅が０．８ｍｍ以下の狭いスリットを設けることが比較的難しい。
【００１７】
上記のスリットを磁石表面に設けることにより渦電流は低減されるが、既に述べたように抗折力は低下する。特に表面磁石型ロータ（ＳＰＭタイプ）の場合は、高速回転で磁石に大きな遠心力が働くため、機械特性が良好でなければ磁石が破損し、飛散してしまう可能性がある。しかし、内部磁石型ロータ（ＩＰＭタイプ）の場合は、ロータ内のキャビティーに磁石が挿入され、機械的に保持されるため、スリットを入れたことによる機械特性上の問題は軽減される。
このような問題を解決するには、スリットに接着剤や樹脂等の非導電性物質を充填して機械強度の低下を補うのが好ましい。これにより渦電流低減の効果を確保しつつ、抗折力の低下を補償することが可能となる。本発明の希土類焼結磁石焼結体は、表面磁石型ロータ（ＳＰＭタイプ）よりも、内部磁石型ロータ（ＩＰＭタイプ）に適する。
上記接着剤や樹脂は、耐熱性と接着強度を両立できるものが望ましく、例えばエポキシ系やアクリル系の接着剤や樹脂が挙げられる。エポキシ系接着剤としては、例えば、スコッチウェルドＥＷ−２（住友３Ｍ社製、商品名）が挙げられ、ＳＰＭタイプ、ＩＰＭタイプの両方に用いることが可能である。なお、シリコーン系樹脂は耐熱性と弾力性に優れているが、接着強度は高くないので、ＩＰＭタイプに用いることが望ましい。
【００１８】
スリットに充填する非導電性物質として、ボンド磁石等に使用される永久磁石粉と樹脂を混練した複合樹脂も使用することができる。該複合樹脂は磁石特性を有するので、スリットを形成したことによる磁石特性の低下を、ある程度補償することができる。ただし、接着強度はほとんど期待できないので、内部磁石型ロータ（ＩＰＭタイプ）に用いることが望ましい。上記永久磁石粉としては、ＮｄＦｅＢ系急冷薄帯や２−１７系ＳｍＣｏ磁石粉等を使用することができる。
上記した各種非導電性物質をスリットに充填させるには、該非導電性物質をスリットに埋め込み、固化させればよい。
【００１９】
本発明の希土類焼結磁石焼結体は、矩形や瓦状等の希土類焼結磁石であり、具体的にはＮｄＦｅＢ系焼結磁石やＳｍＣｏ系焼結磁石等である。希土類ボンド磁石は樹脂と混合した複合磁石で、元々の電気抵抗が高く渦電流の影響が少ない上に、樹脂の耐熱性の限界や磁気特性が低いことから、大型同期モータ用の磁石の候補として考えられていない。そのため該ボンド磁石は本発明の対象とはならない。
【００２０】
本発明の希土類焼結磁石焼結体の製造は、スリットを磁石表面に設ける工程が通常のスリットのない磁石を製造する粉末冶金法に比べて増えるが、セグメント磁石を接着固化した磁石を製造するための分割接着法に比較すると簡単で、それでいて該磁石とほぼ同等の渦電流低減効果を奏することができる。
また、スリットを磁石表面に設けることにより減少する磁石の体積量は僅かであり、磁束の低下も僅かで済むため、電磁トルクの低下は小さい。したがって、従来の永久磁石型同期モータにおけるように、渦電流による発熱・昇温を前提として、むやみに大きな保磁力を予め磁石に付与する必要がなく、磁石の磁気特性や原料コストの面からも非常に大きな効果が期待できる。
さらに、本発明で使用する磁石はスリットを設けた状態でもコーティングを良好に行うことができるので、耐蝕性の点でも問題はない。
【００２１】
【実施例】
（実施例、比較例）
寸法が４０ｍｍ×６０ｍｍ×５ｍｍで、４２ＭＧＯｅグレードのＮｄＦｅＢ焼結磁石（信越化学社製／Ｎ４２Ｈ）の成型体を４枚使用し、直径７０ｍｍ、長さ６２ｍｍの珪素鋼鈑積層（０．５ｍｍ厚の珪素鋼鈑）からなるロータに、該磁石焼結体を挿入してＩＰＭタイプのロータを作製した。上記焼結体は、上記磁石の電機子に対向する面（上面）とその相対する面（下面）に、上面には６０ｍｍ幅方向に平行な、長さ６０ｍｍ、幅０．５ｍｍ、深さ２．５ｍｍのスリットを、１０ｍｍ間隔で３本入れ、下面には４０ｍｍ幅方向に平行な、長さ４０ｍｍ、幅０．５ｍｍ、深さ２．５ｍｍのスリットを、１０ｍｍ間隔で５本入れたものとした。スリットは、０．４ｍｍ厚の外周刃をマルチに組んだ外周刃切断機により設けた。また、該磁石を電気Ｎｉメッキでコーティングした後、ロータに挿入する時に、エポキシ系１液常温硬化接着剤（スコッチウェルドＥＷ−２）をスリットに充填した。
そして、該ロータを１２スロットの電機子を持つステータに組込んで、該電機子に３相交流電流を投入して、６０００ｒｐｍで１時間回転させた。停止後、直ちに分解し、ロータ端部の磁石部の温度を計測したところ９０℃であった。
比較例として、上記と同一の寸法と材料で、スリットを設けていない磁石を使用して同様のロータを製作し、同じ条件で回転させて、温度上昇を計測した。その結果、ロータ端部の磁石部の温度は１４５℃で、スリットを設けた場合とは５５℃以上昇温に差があった。すなわち、磁石にスリットを設けたことにより磁石の温度上昇が抑えられた。
【００２２】
【発明の効果】
本発明により、ロータの磁石に生じる渦電流が低減され、高回転でも該磁石が減磁しない汎用性の高い永久磁石型同期モータを簡単な工程で提供することができるので、産業上、その利用価値は極めて高い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の希土類焼結永久磁石焼結体を例示した説明図である。
【図２】本発明の希土類焼結永久磁石焼結体を例示した説明図であり、（ａ）は、磁石焼結体の端から面の途中にスリットを設けた場合、（ｂ）は面内にスリットを設けた場合を示す。
【符号の説明】
１上面スリット３スリット磁石上面
２下面スリット４スリット磁石側面

Claims

上面及び下面の両方にスリットが設けられており、これらの面の一方の面にあるスリットは、他方の面にあるスリットと面上の方向が異なり、かつ、上面及び下面のそれぞれにおける最も深いスリットの深さの合計が、上面と下面の間の長さの１〜５／３倍である希土類焼結永久磁石焼結体。
前記スリットを設けた面が概ね電機子に対向するように請求項１記載の焼結体を配した内部磁石ロータを有する永久磁石型同期モータ。
前記スリットに非導電性物質を充填してなる請求項２記載の永久磁石型同期モータ。