JP7251090B2 - 永久磁石及びモータ - Google Patents

Description

本発明は、永久磁石及びモータに関する。

モータの回転子部分に取り付けられる永久磁石では、従来から、磁化方向を均一にすることが一般的である。これに対して、特許文献１では、トルクを減少させることなくモータのコギング現象及びこれに起因する振動や騒音及び回転むらを防ぐことを目的として異方性セグメント形状磁石をステータまたはアウターロータとして使用することが検討されている。

特開２００２－１１０４１７号公報

近年、モータ効率の向上等の要求が高まり、永久磁石を回転子に埋め込んだ磁石埋め込み型モータ（ＩＰＭモータ）の採用が進んでいる。また、この磁石埋め込み型モータでは、フェライト磁石に代えてネオジム磁石等の希土類磁石の採用が進んでいる。

特許文献１に記載のように磁化の方向の制御を精密に行うためにはフェライト磁石で一般に用いられている縦磁場成形法（成形時の磁場方向と加圧方向を平行にして圧縮成形する方法。平行磁場成形法ともいう。）を用いることで容易に実現できる。しかしながら、希土類磁石の製造には一般的に横磁場成形法（成形時の磁場方向と加圧方向を垂直にして圧縮成形する方法。垂直磁場成形ともいう。）が用いられる。その理由は希土類磁石の製造に縦磁場成形法を適用した場合、横磁場成形法に比べ低い残留磁束密度しか得られないためである。横磁場成形法にて磁化の方向の制御を精密に行うことは、技術的には可能だが、生産性が著しく低下することとなり、コストの上昇を招く。

本発明は上記を鑑みてなされたものであり、低コストで製造可能であると共に、磁束の制御が可能な永久磁石及びこの永久磁石が適用されたモータを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る永久磁石は、モータの回転子に取り付けられる希土類系磁石からなる永久磁石であって、磁化の方向が互いに異なる複数の磁石を組み合わせることにより構成され、長手方向に沿って磁化の方向が他の領域と異なる配向制御領域を有する。

また、本発明の一形態に係るモータは、複数の磁石挿入孔を有する回転子と、前記複数の磁石挿入孔にそれぞれ収容される希土類系磁石からなる複数の永久磁石と、を有するモータであって、前記永久磁石のうちの一部は、磁化の方向が互いに異なる複数の磁石を組み合わせることにより構成され、長手方向に沿って磁化の方向が他の領域と異なる配向制御領域を有する。

上記の永久磁石及びモータによれば、磁化の方向が他の領域と異なる配向制御領域を有する永久磁石によって、回転子に取り付けられる永久磁石の磁束の制御を行うことができる。また、この永久磁石は、配向が互いに異なる複数の磁石を組み合わせて構成されている。したがって、永久磁石における磁束の制御を低コストで実現することができる。

ここで、前記配向制御領域では、厚さ方向に沿って磁化の方向が互いに異なる複数の磁石が重ねられている態様とすることができる。

上記のように、配向が異なる磁石を厚さ方向に沿って重ねることで配向制御領域が形成されることで、配向制御領域における配向の制御をより細かく行うことができる。

また、上記の永久磁石において、前記複数の磁石は２つの板状の磁石であって、前記配向制御領域では、前記２つの板状の磁石が前記厚さ方向に重ねられている態様とすることができる。

上記のように、２つの板状の磁石を厚さ方向に重ねて配向制御領域を形成することで、磁束の制御が可能な永久磁石をより低コストで製造することができる。

また、外形が直方体形状である態様とすることができる。

上記のように、永久磁石の外形を直方体形状とすることで、従来の一般的な磁石埋め込み型モータに設けられた直方体形状の磁石挿入孔に対しても簡単に取り付けることが可能である。

また、上記のモータにおいて、前記複数の磁石挿入孔は、前記回転子の回転軸の周りに周期的に配置されて、前記複数の磁石挿入孔のうちの２つの連続する磁石挿入孔に収容される２つの永久磁石により、前記回転子の磁極が構成され、前記磁極を構成する前記２つの永久磁石は、仮想線に対して対称に配置され、前記２つの永久磁石のそれぞれは、前記仮想線から遠い方の端部側に、前記配向制御領域を有する態様とすることができる。

上記のように、同一の磁極を構成する２つの永久磁石が、仮想線に対して対称に配置され、２つの永久磁石のそれぞれにおいて仮想線から遠い方の端部側に配向制御領域を有する構成とすることで、配向制御領域によって制御された磁束が、仮想線に沿って集中した状態となり、磁束密度が高められる。この結果、モータにおけるマグネットトルクが高められ、出力トルクが高められる。

本発明によれば、低コストで製造可能で有り、磁束の制御が可能な永久磁石及びこの永久磁石が適用されたモータが提供される。

本発明の一実施形態に係るモータの概略平面図である。 永久磁石の構成を説明する概略斜視図である。 図１の一部を拡大した図である。 永久磁石の形状及び磁石の組み合わせの変更例を示す図である。 永久磁石の形状及び磁石の組み合わせの変更例を示す図である。 回転子のコアにおける永久磁石の配置の変更例を示す図である。 実施例１の永久磁石の形状及び磁石の組み合わせを模式的に示す図である。 実施例２の永久磁石の形状及び磁石の組み合わせを模式的に示す図である。 比較例１の永久磁石の形状及び磁石の組み合わせを模式的に示す図である。 実施例３の永久磁石の形状及び磁石の組み合わせを模式的に示す図である。 比較例２の永久磁石の形状及び磁石の組み合わせを模式的に示す図である。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、種々の変更をすることが可能である。

まず、実施形態に係るモータ１の構成について、図１を参照しつつ説明する。

図１に示すように、モータ１は、固定子（ステータ）２と、固定子２の内部に回転自在に配置された回転子（ロータ）３、回転子３のコア７と連結したシャフト８とを備えて構成されている。モータ１は、回転子３の内部に永久磁石４を埋め込まれた、所謂磁石埋め込み型モータ（ＩＰＭモータ）である。

固定子２は、鉄心５と、鉄心５に巻装された複数の巻線６とから構成される。巻線６は固定子２の内周面で等間隔に所定数配置され、巻線６への通電により、回転子３を回転させるための回転磁界を発生させる。

回転子３は、コア７と、コア７に設けられた複数の磁石挿入孔（図示せず）と、磁石挿入孔に収容されて固定された複数の永久磁石４とから構成される。

コア７は、薄板状の電磁鋼板等の積層体からなる。コア７の中心部分に軸穴が形成され、この軸穴に回転子３の回転軸となるシャフト８が嵌合される。コア７の外周付近には、コア７の軸（回転子３の回転軸に対応する）周りに周期的に並んだ複数対（図１では４対）の磁石挿入孔が設けられている。磁石挿入孔の各対は、コア７の軸から延びる仮想線（図３で示す仮想線Ａ）に対して対称的に配置されている。仮想線Ａに対して対照的に配置される２つ（１対）の磁石挿入孔に収容される２つの永久磁石４は、コア７の外側が同一極となるように配置されて、１極を構成している。図１に示すモータ１の場合、回転子３の極数は４である。

磁石挿入孔には、図２に示される永久磁石４が収容される。本実施形態では、磁石挿入孔の形状は、挿入される磁石の形状に対応していて、略Ｌ字形とされる。磁石挿入孔にはフラックスバリアとなる空間が形成されていてもよい。なお、説明のために、図２ではＸＹＺ直交座標系を示している。

図２（Ａ）は、永久磁石４を説明する斜視図であり、図２（Ｂ）は、永久磁石４のＸＹ方面に沿った断面図である。永久磁石４は、図２（Ａ）及び図２（Ｂ）に示すように、回転子３の回転軸方向に対して直交する方向（すなわち、回転子３を構成するコア７の主面の延在方向）に沿って重ねて配置された２つの板状の磁石４Ａ、４Ｂで構成されている。より具体的には、磁石４Ａ、４Ｂは長方形平板状とされている。なお、本実施形態における「板状」の磁石とは、対向配置する主面が互いに略平行である磁石である。したがって、例えば、略平行な主面を有しているが側面が傾斜している、または、主面の角部が丸められている磁石についても「板状」の磁石に含まれる。

２つの磁石４Ａ、４Ｂは同じ材料で構成された永久磁石とすることができる。本実施形態に係る磁石４Ａ、４Ｂは、希土類系永久磁石（希土類系磁石）で構成されており、例えば、Ｒ－Ｔ－Ｂ系永久磁石とすることができる。また、その中でも、Ｒ－Ｔ－Ｂ系焼結磁石とすることができる。Ｒ－Ｔ－Ｂ系焼結磁石は、Ｒ_２Ｔ_１４Ｂ結晶から成る粒子（結晶粒子）および粒界を有する。

Ｒ－Ｔ－Ｂ系焼結磁石におけるＲは、希土類元素の少なくとも１種を表す。希土類元素とは、長周期型周期表の第３族に属するＳｃとＹとランタノイド元素とのことをいう。ランタノイド元素には、例えば、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ等が含まれる。Ｒ－Ｔ－Ｂ系焼結磁石におけるＴは、Ｆｅ、あるいはＦｅおよびＣｏを表す。さらに、その他の遷移金属元素から選択される１種以上を含んでいてもよい。Ｒ－Ｔ－Ｂ系焼結磁石におけるＢは、ホウ素（Ｂ）、あるいは、ホウ素（Ｂ）および炭素（Ｃ）を表す。

本実施形態に係るＲ－Ｔ－Ｂ系焼結磁石は、ＣｕまたはＡｌ等を含んでいてもよい。これらの元素の添加により、高保磁力化、高耐食性化、または磁気特性の温度特性の改善が可能となる。

さらに、本実施形態に係るＲ－Ｔ－Ｂ系焼結磁石は、重希土類元素としてＤｙ、Ｔｂ、またはその両方を含んでいてもよい。重希土類元素は、結晶粒子及び粒界に含まれていてもよい。重希土類元素が、結晶粒子に実質的に含まれない場合は、粒界に含まれることが好ましい。粒界における重希土類元素の濃度は、結晶粒子における濃度より高いことが好ましい。本実施形態に係るＲ－Ｔ－Ｂ系焼結磁石は、重希土類元素が粒界拡散されたＲ－Ｔ－Ｂ系焼結磁石であってもよい。重希土類元素を粒界拡散したＲ－Ｔ－Ｂ系焼結磁石は、粒界拡散しないＲ－Ｔ－Ｂ系焼結磁石と比較して、より少量の重希土類元素で残留磁束密度および保磁力を向上させることができる。

また、本実施形態に係る磁石４Ａ、４ＢがＲ－Ｔ－Ｂ系永久磁石である場合、Ｒ－Ｔ－Ｂ系永久磁石は、上記のように焼結を行うことにより製造されるＲ－Ｔ－Ｂ系焼結磁石に限定されない。例えば、焼結の代わりに熱間成型および熱間加工を行い製造されるＲ－Ｔ－Ｂ系永久磁石であってもよい。

室温にて原料粉末を成型することにより得られる冷間成型体に対して、加熱しながら加圧する熱間成型を行うと、冷間成型体に残存する気孔が消滅し、焼結によらずに緻密化させることができる。さらに、熱間成型により得られた成型体に対して熱間加工として熱間押出し加工を行うことにより、所望の形状を有し、かつ、磁気異方性を有するＲ－Ｔ－Ｂ系永久磁石を得ることができる。

なお、磁石４Ａ、４Ｂは、互いに異なる材料の磁石であってもよい。

永久磁石４は、磁石４Ａと磁石４Ｂとを厚さ方向（高さ方向：Ｙ軸方向）に重ねる（積層する）ことで形成されている。永久磁石４の大きさは回転子の外径、極数等によって適宜選定される。磁石４Ａは、例えば、長辺長さ（Ｘ軸方向長さ）は３ｍｍ～７０ｍｍの範囲であり、高さ（Ｙ軸方向長さ）は１ｍｍ～４０ｍｍの範囲である。また、磁石４Ｂは、例えば、長辺長さは１ｍｍ～３５ｍｍの範囲であり、高さは１ｍｍ～４０ｍｍの範囲である。また、磁石４Ｂの長辺長さは、磁石４Ａの長辺長さに対して５％以上５０％以下が好ましく、１０％以上４０％以下がより好ましい。また、磁石４Ｂの高さは、磁石４Ａの高さに対して１０％以上１５０％以下が好ましく、２０％以上１００％以下がより好ましい。

磁石４Ａ、４Ｂは、短辺の長さは同じであることが好ましく、図２に示すように、磁石４Ａ、４Ｂを重ねた際には、長辺に沿った側面（短辺と交差するＸＹ平面に平行な側面）の端部が一致することが好ましい。

また、磁石４Ｂは、磁石４Ａの一方側の短辺同士が平面視において重なり合うように積層される。本実施形態では、磁石４Ａの主面４０Ａ（ＸＺ平面に平行な面）に含まれる一の短辺４１Ａ（Ｘ軸負側の短辺）と、磁石４Ｂの主面４０Ｂ（ＸＺ平面に平行な面）に含まれる一の短辺４１Ｂ（Ｘ軸負側の短辺）と、が重なる状態で、主面４０Ａと主面４０Ｂとが対向した状態で磁石４Ａ上に磁石４Ｂが積層される。この結果、永久磁石４の長辺方向（Ｘ軸方向）に沿って永久磁石４を見たときに、一方側（磁石４Ａ，４Ｂが積層しているＸ軸負側）では、永久磁石４の厚さ（積層方向に沿った高さ）が大きく、他方側（磁石４Ａ上に磁石４Ｂが積層していないＸ軸正側）では、永久磁石４の厚さが小さくなっている。このように、本実施形態に係る永久磁石４は、永久磁石４の厚さが互いに異なる領域を有している。また、永久磁石４は、断面（ＸＹ平面に平行な面）形状が略Ｌ字形状となっている。

なお、本実施形態に係る永久磁石は、磁石４Ａ、４Ｂは互いに異なる方向に磁化されている。具体的には、図２（Ｂ）に示すように、磁石４Ａは、高さ（厚さ）方向に平行な方向Ｍ１（Ｙ軸正方向）に磁化されている。一方、磁石４Ｂは、磁石４Ａの磁化方向Ｍ１に対して所定の角度傾いた方向Ｍ２に磁化されている。なお、磁石４Ａ、４Ｂは、いずれも一軸に平行である一様な配向であるとする。

磁石４Ｂが積層されている領域では、永久磁石４の高さ（厚さ）方向で見たとき、互いに異なる磁化方向を有する２つの磁石が重ねられていることになる。その結果、２つの磁石が重ねられている領域の磁化方向は、他の領域と異なることになる。この他の領域と比較して磁化方向が異なる領域を配向制御領域４５とする。なお、永久磁石４では、互いに異なる磁化方向を有する２種類の磁石が重ねられることで、配向制御領域４５が形成される。つまり、永久磁石４の場合には、配向制御領域４５は、磁石４Ｂが重ねられた領域となる。

本実施形態では、磁石４Ｂの磁化方向Ｍ２は、磁石４Ａ、４Ｂの長辺方向に沿って、磁石４Ａのうち磁石４Ｂが積層されていない端部側（Ｘ軸正方向）に傾斜している。したがって、永久磁石４からのフラックス（磁束）は、永久磁石４の上面（Ｙ軸正側の表面）から磁石４Ａが積層されていない領域側に偏ってまとまった状態となる。すなわち、磁束密度が高められた状態となる。

永久磁石４は、磁化方向Ｍ１と磁化方向Ｍ２とを互いに異ならせることで、永久磁石４全体としてのフラックス（磁束）の方向及び密度を制御することができる。また、この永久磁石４をモータ１の回転子３に所定の方向に搭載することで、モータ１における永久磁石４によるトルクを大きくすることができる。この点については、後述する。

なお、磁化方向Ｍ１と磁化方向Ｍ２とのなす角度は、適宜変更することができるが、例えば、１°～４５°程度とすることができる。また、磁石４Ｂのように、磁化方向Ｍ２を高さ（厚さ）方向から異ならせる方法は特に限定されない。

磁石４Ａ，４Ｂは、接着剤等によって接合されていてもよい。また、磁石４Ａ、４Ｂの間には、接合層が介在していてもよい。一対の磁石４Ａ、４Ｂの間に接合層が介在している場合、磁石４Ａ、４Ｂの間隔は０．０１ｍｍ～０．１ｍｍの範囲が好ましい。

図３は、図１の一部拡大図である。上記の永久磁石４は、回転子３のコア７に設けられた磁石挿入孔（図示せず）に収容されることで、図３に示すように配置される。

永久磁石４の各対は、コア７の軸から延びる仮想線Ａに対して対照的に配置されている。より具体的には、永久磁石４は、略Ｌ字形の長辺（磁石４Ａにより形成される長辺部分）から延長された直線と仮想線Ａとがなす角が所定の角度（例えば、４５°～８５°程度であるが、特に限定されない）だけ傾いた状態で、対照的に配置されている。このように、永久磁石４は、図２における上方（Ｙ軸正側）がコア７の外周側を向くように磁石挿入孔に収容される。また、磁石挿入孔に収容された場合、永久磁石４における回転子３（コア７）の回転軸に対して直交する断面とは、図２における永久磁石４のＸＹ平面に平行な断面となる。

この結果、図３に示すように、一対の永久磁石４は、仮想線Ａから遠い側（回転子３の外周に近い側）の両端部において、永久磁石４の厚さ（シャフト８の延在方向から見たときの永久磁石４の積層方向の厚さ、または、コア７の主面上で永久磁石４の長辺の延在方向に沿って見たときの永久磁石４の幅）が大きくなり、仮想線Ａから近い側（回転子３の回転軸に近い側）の両端部において永久磁石４の厚さが小さくなっている。

また、一対の磁石挿入孔に収容された一対の永久磁石４においては、それぞれ、仮想線Ａから遠い側の両端部に磁石４Ｂが積層されている。磁石４Ｂの磁化方向Ｍ２は、上述したように永久磁石４のうち磁石４Ｂが積層されていない側（磁石４Ａの上面が露出している側）に偏っている。したがって、永久磁石４からのフラックスは、永久磁石４のうち磁石４Ｂが積層されていない側（磁石４Ａの上面が露出している側）に偏った状態で、磁束密度が高められることになる。この結果、永久磁石４の上方（回転子３の回転軸に対して外方側、すなわち、固定子２側）では、仮想線Ａに沿ってフラックスが集中した状態となる。

なお、永久磁石４の積層に関しては、上記寸法にすでに個片化されている磁石４Ａ、４Ｂを重ね合わせる方法が用いられる。なお、必要に応じて、磁石４Ａ、４Ｂに所定の研磨処理（たとえばバレル研磨等）を施して面取りしてもよい。

なお、適宜、磁石挿入孔に充填剤を充填して、永久磁石４を磁石挿入孔に固定してもよい。充填剤としては、熱硬化性樹脂を用いることができ、たとえばエポキシ樹脂やシリコーン樹脂を用いることができる。ただし、磁石挿入孔に収納された永久磁石４が磁石挿入孔に対して固定された状態となるのであれば、必ずしも充填剤を用いる必要はない。

ここで、本実施形態に係る永久磁石４は、互いに異なる磁化方向を有する領域が高さ（厚さ）方向に積層された配向制御領域を有する。このような構成を有することで、磁石埋め込み型モータに適用される永久磁石において、磁束の制御を低コストで実現することが可能となる。

磁石埋め込み型モータは、一般的に高いモータ効率が要求されるが、これと共に高い出力トルクが要求される場合が多い。このような場合、埋め込まれる磁石としては、フェライト磁石と比較して磁気性能が高い希土類系磁石が用いられる場合がある。フェライト磁石の製造には前述したように縦磁場成形法が多く用いられ、セグメント型磁石を容易に作ることができるが、磁気特性の高い希土類磁石の製造には上述した横磁場成形法が用いられるため、安価に磁化方向を精密に制御する方法がなく、磁石の磁化方向を利用したトルクの改善については、十分な検討はなされていなかった。

これに対して、本実施形態に係る永久磁石４によれば、配向制御領域４５を有するので、磁化方向の制御を利用して、磁束密度の制御が可能となる。したがって、この永久磁石４を利用した磁石埋め込み型モータにおいては、永久磁石４の配向制御領域４５を利用して、フラックスの磁束密度の制御が可能となることから、磁石埋め込み型モータに求められる性能等に応じた調整を容易に行うことができる。また、この永久磁石４では、互いに異なる配向を有する磁石４Ａ、４Ｂの個片を組み合わせて配向制御領域４５が形成されるため、一体化された磁石における配向制御と比較して、より低コストで磁束密度の制御が可能な永久磁石４を得ることができる。上述したように磁石４Ａ、４Ｂはいずれも一軸に平行である一様な配向の磁石であるので、一般的な製造方法で製造することができる。そのため、配向の制御に関して、磁石の製造コストを大幅に抑制することができる。

また、本実施形態に係る永久磁石４が、１つの磁極を構成する一対の磁石挿入孔のそれぞれに収容された回転子３（コア７）を含むモータ１では、永久磁石４の上方（回転子３の回転軸に対して外方側、すなわち、固定子２側）では、仮想線Ａに沿ってフラックスが集中した状態となる。このように、固定子２側へ向かうフラックスの密度（磁束密度）が高められることで、モータ１におけるマグネットトルクが高められる。したがって、モータ１としての出力トルクが高められるという効果が得られる。

なお、配向制御領域４５は、永久磁石４の長手方向（Ｘ軸方向）に沿った一部のみに形成される。永久磁石４の全体に配向制御領域４５を形成すると、永久磁石４からのフラックスの向きを制御することは可能であるものの、磁束密度の制御としては不十分である。したがって、配向制御領域４５は、永久磁石４の長手方向に沿った一部の領域に設けられる。

また、上記の永久磁石４は、板状の複数の磁石４Ａ、４Ｂを組み合わせて構成されている。板状の磁石４Ａ，４Ｂは、一般的な製造方法で製造することが可能なため、形状の加工等に伴うコストの増大を抑制することができる。

具体的には、本実施形態に係る永久磁石４は、一方の端部側に、他の領域よりも厚みが大きい領域を有する。永久磁石４の場合には、一方の端部側の磁石４Ｂが重ねられている領域が、他の領域（磁石４Ｂが重ねられていない領域）と比べて厚くなっている。より具体的には、回転子３の回転軸に対して直交する断面（コア７の主面と平行な断面）において、一方の端部側が他方の端部側に比べて厚い。このような構成を有することで、減磁しやすい領域での減磁を抑制することができる。

一般的に、永久磁石が取り付けられるモータでは、回転子が回転することで部分的磁石の磁化方向とは逆向きの磁界（逆磁界）がかかることが知られている。逆磁界がかかる領域は、永久磁石の配置等によって変わるが、例えば、回転子の回転方向に対して後方側（回転方向とは逆側）の端部に逆磁界がかかることが知られている。例えば、図３で示す矢印Ｒが回転子３の回転方向であるとすると、図３で示す２つの永久磁石４のうち、右側の永久磁石４の右側端部付近に逆磁界がかかると考えられる。このように、逆磁界が生じる領域では永久磁石の減磁が発生することが懸念される。これに対して、従来は、磁石材料に重希土類元素を含有させること等、材料の保磁力を高めることで、減磁を防ぐことが一般的であった。しかしながら、重希土類元素は高価であり、磁石の材料コストが増大してしまう。この点を鑑みて、例えば、加熱処理による拡散等を利用して一部領域にのみ重希土類元素を含有させるこことも検討されているが、依然として重希土類元素を含有させるための材料コストが高価となると共に、加熱処理が必要となるため、永久磁石の製造コストを十分に抑制できるとはいえなかった。

一方、本実施形態に係る永久磁石４では、磁石４Ｂが重ねられている一方の端部側が、他の領域と比べて厚くなっている。すなわち、回転子３の回転軸に対して直交する断面における永久磁石４の厚さが大きい領域を一方の端部側に形成することで、永久磁石４のパーミアンス係数を調整することができる。パーミアンス係数は、磁石の磁化方向の厚さと、磁石の磁化方向に対して垂直な方向の磁石の幅（図２において、磁化方向がＹ軸方向である場合の、Ｘ軸方向の長さ）と、の比に応じて変わるものである。また、磁石においてパーミアンス係数が小さい領域は、逆磁界等の影響を受けて減磁しやすい。そこで、永久磁石４では、永久磁石４のうちの逆磁界を受けやすい一方の端部側に厚さが大きな領域を設けることで、この永久磁石４を回転子３に取り付けた際に、回転子３の回転時に発生し得る局所的な減磁を抑制することができる。すなわち、逆磁界がかかりやすい領域に、永久磁石４のうち厚さが大きな領域を配置することで、当該領域における減磁を抑制することができる。

また、上記の永久磁石４は、板状の複数の磁石４Ａ、４Ｂを組み合わせて構成されている。永久磁石４のような形状の磁石を製造しようとすると、製造コストが増大する。一方、板状の磁石４Ａ，４Ｂは、一般的な製造方法で製造することが可能なため、コストの増大を抑制することができる。また、永久磁石４では、複数の磁石４Ａ、４Ｂを組み合わせて、その厚さを変化させることで、局所的な減磁抑制を可能としている。このように、材料を変更することに代えて、板状の複数の磁石４Ａ、４Ｂを組み合わせて、回転子３の回転軸に対して直交する断面において厚さが異なる領域を有する永久磁石４は、低コストで製造可能であると共に、回転子の回転時の局所的な減磁を抑制可能である。

なお、回転子３の回転軸に対して直交する断面における永久磁石４の厚さが大きくなる領域が「一方の端部側」に形成される、とは、回転子３の回転軸に対して直交する断面において永久磁石４の厚さが大きくなる領域が、永久磁石４の中央付近ではなく端部に偏って設けられることをいう。本実施形態の永久磁石では、厚さが大きな領域が一方の端部及び当該端部から磁石４Ｂが延在する領域に形成されているが、「厚さが大きな領域」が永久磁石の一方の端部を含んで設けられている必要はない。例えば、永久磁石４の角部を丸める等により、端部よりもその内側の領域が「厚さが大きな領域」となっていてもよい。

図４は、永久磁石における２つの磁石の組み合わせの変更例である。図４（Ａ）、（Ｂ）は、いずれも変形例に係る永久磁石の断面図（回転子の回転軸に対して直交する断面における断面図）を示すものである。

図４（Ａ）に示す永久磁石５１は、２つの磁石４Ｃ、４Ｄを厚さ方向に重ねて形成している点は、永久磁石４と同じであるが、永久磁石５１全体として、直方体形状とされている。すなわち、磁石４Ｃは、永久磁石５１に対応した直方体形状に対して磁石４Ｄを配置するための空間部分が切り欠かれた形状をしている。そして、この切り欠かれた空間に対して配向が異なる磁石４Ｄを配置することで、配向制御領域４５を有する永久磁石５１が形成されている。このような形状とした場合であっても、永久磁石５１による磁束の制御を低コストで実現することが可能となっている。このように、本実施形態に係る永久磁石の形状は、適宜変更することができる。

また、従来の磁石埋め込み型モータには、永久磁石５１のような直方体形状の永久磁石が用いられていることが一般的である。したがって、永久磁石５１のような直方体形状をしている場合、従来の磁石埋め込み型モータに設けられた磁石挿入孔に対して簡単に取り付けることが可能である。すなわち、永久磁石５１は、従来の磁石埋め込み型モータに対しても容易に適用することができる。

図４（Ｂ）に示す永久磁石５２は、永久磁石４と同様に、平板状の磁石４Ｃ上に配向が異なる磁石４Ｄが重ねられている。ただし、永久磁石５２では、磁石４Ｃの長手方向（Ｘ軸方向）両端部に２つの磁石４Ｄが積層されていて、２つの配向制御領域４５が形成されている。２つの配向制御領域４５に設けられる磁石４Ｄの配向は、いずれも、磁石４Ｃの長手方向の中心部付近に傾斜している。このため、この永久磁石５２からのフラックスは、磁石４Ｃの長手方向の中心部付近の上方に集中する。すなわち、磁束密度が高い領域が磁石４Ｃの長手方向の中心部付近の上方に形成される。このように、配向制御領域４５の数及び配置は適宜変更することができる。また、配向制御領域４５の配置を変更することで、磁束密度が集中する領域の制御を行うこともできる。磁束密度が集中する領域は、永久磁石５２が取り付けられる磁石埋め込み型モータの形状や性能等に応じて、適宜設計することができる。

図４に示すように、永久磁石に使用する磁石の数等は適宜変更することができる。また、磁石の組み合わせ方についても適宜変更することができる。

図５は、永久磁石における２つの磁石の組み合わせの他の変更例である。図５（Ａ）～（Ｃ）は、いずれも変形例に係る永久磁石の断面図（回転子の回転軸に対して直交する断面における断面図）を示すものである。図５（Ａ）～（Ｃ）は、いずれも厚さが互いにことなると共に配向が互いに異なる２つの磁石４Ｃ、４Ｄを組み合わせて永久磁石を形成している。

図５（Ａ）に示す永久磁石５３は、上記実施形態で説明したように２つの磁石４Ａ、４Ｂを厚さ方向に重ねることで、厚さが大きな領域を形成することに代えて、厚さが互いに異なると共に配向が互いに異なる磁石４Ｃ、４Ｄを組み合わせて、永久磁石４の長辺方向（Ｘ軸方向）に沿って並べることで、厚さが大きな領域を形成している。磁石４Ｄの配向が磁石４Ｃと比較して傾斜しているため、この磁石４Ｄが配置される領域が配向制御領域４５となる。永久磁石５３における配向制御領域４５は、永久磁石４のように互いに異なる磁化方向を有する２種類の磁石が重ねられて形成される領域ではなく、１つの磁石によって形成される領域である。このように、配向制御領域４５を構成する磁石の数や組み合わせ方は適宜変更することができる。

また、永久磁石における複数の磁石の組み合わせ方についても、適宜変更することができる。なお、磁石の組み合わせ方を変更する場合でも、板状の磁石同士を組み合わせて永久磁石を形成することで、永久磁石を低コストで製造することができる。また、永久磁石５１の長辺方向（Ｘ軸方向）に沿って磁石を並べて永久磁石を形成する場合、厚さ方向（Ｙ軸方向）に磁石を積層する場合と比較して、磁石に発生する渦電流損失を低減することができることが考えられる。

図５（Ｂ）に示す永久磁石５４は、厚さが互いに異なると共に配向が互いに異なる磁石４Ｃ、４Ｄを組み合わせて、永久磁石４の長辺方向（Ｘ軸方向）に沿って並べることで、配向制御領域４５に相当する厚さが大きな領域が形成されている点は、永久磁石５３と同じであるが、突出する領域が形成される面が異なる。すなわち、永久磁石５４を磁石挿入孔に収容した際に回転軸側に配置される主面（図示下方側の主面）の一部が突出している点が、永久磁石５３と相違する。このように、永久磁石において厚さが異なる領域を形成する際の突出部の配置は、磁石挿入孔に収容した際に回転軸に対して外方に配置される面に限定されない。

図５（Ｃ）に示す永久磁石５５は、永久磁石の両方の主面の一部に他の領域と比較して突出している領域が形成されている点が、他の永久磁石と相違する。図５（Ｃ）に示すように、永久磁石５５では、対向する主面の両方の一部に他の領域と比較して突出している領域が形成されていて、この領域が配向制御領域４５に相当する。このように、対向する主面の両方の一部に他の領域と比較して突出している領域が形成されている場合、永久磁石５５は、断面（ＸＹ平面に平行な面）形状が略Ｔ字形状となっている。このように、永久磁石５５の断面形状が略Ｌ字形状ではなく略Ｔ字形状であっても、厚さが大きな領域が形成されていることで、当該領域におけるパーミアンス係数を大きくすることができるため、永久磁石４等と同様に回転子の回転時の局所的な減磁を抑制可能である。

なお、図５（Ｂ）に示す永久磁石５４及び図５（Ｃ）に示す永久磁石５５を形成する際の磁石の組み合わせ方についても適宜変更することができる。例えば、３つの磁石を組み合わせて、永久磁石を形成してもよい。

図６は、モータ１における回転子３のコア７に収容される永久磁石の配置の変更例である。図１及び図３に示すように、上記実施形態では、回転子３における１つの磁極を２つの永久磁石４を仮想線Ａに対して対称配置する場合について説明したが、上記実施形態で説明した永久磁石４と他の形状の永久磁石を組み合わせて、回転子３における１つの磁極を形成してもよい。なお、図６では、磁石挿入孔の記載を省略している。

図６では、一対の永久磁石として上記実施形態で説明した永久磁石４が配置されると共に、これらの間に磁石４Ａ、４Ｂとは異なる平板状の磁石４Ｅが配置されている例を示している。この例では、連続して配置される３つの永久磁石が磁極を構成していることになる。このように、回転子３における１つの磁極を形成する永久磁石の数及び配置は適宜変更することができる。

図６に示す例では、磁極を構成する連続して配置される３つの永久磁石の両端に配向制御領域４５が設けられている。このため、これらの３つの永久磁石からの磁束は、磁石４Ｃの上方（回転子３の外方）に集中する。したがって、固定子２方向へのフラックスの密度を好適に高めることができる。

ただし、磁石埋め込み型モータの設計によっては、磁極を構成する永久磁石のフラックスをある程度分散させるほうが好ましい場合も考えられる。このような場合には、磁石埋め込み型モータに取り付けられた状態での永久磁石における配向制御領域の配置を適宜変更することができる。例えば、配向制御領域が磁極を構成する複数の永久磁石の中央側に配置されるような構成としてもよい。

以上のように、本実施形態に係る永久磁石４及びこの永久磁石４を取り付けたモータ１によれば、磁化の方向が他の領域と異なる配向制御領域４５を有することで、回転子３に取り付けられる永久磁石の磁束の制御を行うことができる。また、この永久磁石４は、配向が互いに異なる複数の磁石４Ａ、４Ｂを組み合わせて構成されている。したがって、永久磁石における磁束の制御を低コストで実現することができる。

また、配向が異なる磁石を厚さ方向に沿って重ねることで配向制御領域４５が形成される場合、配向制御領域４５における配向の制御をより細かく行うことができる。

また、２つの板状の磁石４Ａ、４Ｂを厚さ方向に積層して配向制御領域４５を形成することで、磁束の制御が可能な永久磁石４をより低コストで製造することができる。

また、永久磁石の外形を直方体形状とした場合には、従来の一般的な磁石埋め込み型モータに設けられた直方体形状の磁石挿入孔に対しても簡単に取り付けることが可能である。

さらに、モータ１において同一の磁極を構成する２つの永久磁石４が、仮想線Ａに対して対称に配置され、２つの永久磁石４のそれぞれにおいて仮想線Ａから遠い方の端部側に配向制御領域４５を有する構成とすることで、配向制御領域４５によって制御された磁束が、仮想線Ａに沿って集中した状態となり、磁束密度が高められる。この結果、モータ１におけるマグネットトルクが高められ、出力トルクが高められる。

本発明は、上記実施形態に限られるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

例えば、モータに設けられた磁石挿入孔の数は適宜増減することができ、磁石挿入孔の位置関係についても適宜変更することができる。また、永久磁石を構成する磁石の数は、適宜変更することができる。また、その形状も適宜変更することができる。

また、本実施形態に係る永久磁石は、磁石埋め込み型モータ以外のモータにも適用することができる。

本発明の内容（効果等）を実施例及び比較例を参照してさらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
永久磁石４をモータ１の回転子３に組み込んだ際のモータ１の出力トルクを有限要素法を用いて求めた。モータ１は、スロット（不図示）を２４個有した固定子２を備えており、２４個のスロットそれぞれを通して巻線６が集中巻で３０ターン巻回されている。巻線６は、所定の順に電気的に接続され、３相交流電源（不図示）に接続され、回転子３を回転させるための回転磁界を発生させるように構成されている。モータ１は、図３に示すような一対の永久磁石４で一つのＮ極又はＳ極を示す磁極を１６対、回転子３に備えている。このように、モータ１は、１６極２４スロットのインナーロータ型のＩＰＭモータである。

永久磁石４を形成する磁石４Ａ、４Ｂ（図７参照）の磁気特性は、２０℃における残留磁束密度Ｂｒは１．３５［Ｔ］、保磁力Ｈｃｊは１５００［ｋＡ／ｍ］であり、１５０℃における残留磁束密度Ｂｒは１．１７４５［Ｔ］、保磁力Ｈｃｊは５７０［ｋＡ／ｍ］である。永久磁石４を形成する磁石４Ａの長辺長さは１１．６ｍｍ、高さは５ｍｍである。永久磁石４を形成する磁石４Ｂの長辺長さは２．５ｍｍであり、磁石４Ａの長辺長さに対し２２％になっている。同様に、永久磁石４を形成する磁石４Ｂの高さは２ｍｍであり、磁石４Ａの高さに対し４０％になっている。

図７に示すように、磁石４Ａの磁化方向Ｍ１は、Ｙ軸正方向になっている。磁石４Ｂの磁化方向Ｍ２は、磁石４Ａ、４Ｂの長辺方向に沿って、磁石４Ａのうち磁石４Ｂが積層されていない端部側に３０°傾斜（Ｙ軸正方向から３０°傾斜）している。したがって、永久磁石４からのフラックス（磁束）は、永久磁石４の上面（Ｙ軸正側の表面）から磁石４Ａが積層されていない領域側に偏ってまとまった状態となっている。このように構成した実施例１において、２０℃、ピーク電流１００［Ａ］、電流位相角β＝３０°の３相交流電流を巻線６に通電しながら１０００［ｒｐｍ］で回転子３を回転させた時の、モータ１としての出力トルクを有限要素法で求めた。

（実施例２）
実施例２は、実施例１における永久磁石４を、図８及び図５（Ａ）に示す永久磁石５３に置き換えた以外は、実施例１と同様の構成である。なお、図５（Ａ）は２つの磁石の配置関係及び磁化方向を示すための模式図であり、磁石の寸法については図５（Ａ）よりも図８が正確である。永久磁石５３では、実施例１の永久磁石４のように２つの磁石４Ａ，４Ｂを厚さ方向に重ねることに代えて、厚さが互いに異なる２つの磁石４Ｃ，４Ｄが長辺方向（Ｘ軸方向）に沿って並べて配置され、厚さが大きな領域が形成されている。磁石４Ｄは、磁石４Ｃよりも厚さが大きい。永久磁石５３では、厚さが大きい領域を形成する突出部が、磁石挿入孔に収容した際に回転軸に対して外方に配置される面に配置されている。磁石４Ｃ，４Ｄは、配向が互いに異なっている。図８に示されるように、磁石４Ｃの磁化方向Ｍ３は、Ｙ軸正方向である。また、磁石４Ｄの磁化方向Ｍ４は、磁石４Ｃ側に３０°傾斜（Ｙ軸正方向から３０°傾斜）している。このように構成した実施例２においても、実施例１と同様に、２０℃、ピーク電流１００［Ａ］、電流位相角β＝３０°の３相交流電流を巻線６に通電しながら１０００［ｒｐｍ］で回転子３を回転させた時の、モータ１としての出力トルクを有限要素法で求めた。

（比較例１）
比較例１は、実施例１における永久磁石４を、図９に示す永久磁石４０１に置き換えた以外は、実施例１と同様の構成である。永久磁石４０１は、磁石４Ａ（永久磁石４の磁石４Ａと同様）と磁石４０１Ｂとを厚さ方向に重ねることで形成されている。すなわち、永久磁石４０１では、実施例１の永久磁石４の磁石４Ｂに代えて、磁石４０１Ｂが採用されている。永久磁石４の磁石４Ｂの磁化方向Ｍ２がＹ軸正方向から３０°傾斜しているのに対して、永久磁石４０１の磁石４０１Ｂの磁化方向Ｍ５はＹ軸正方向である。このように構成した比較例１においても、実施例１と同様に、２０℃、ピーク電流１００［Ａ］、電流位相角β＝３０°の３相交流電流を巻線６に通電しながら１０００［ｒｐｍ］で回転子３を回転させた時の、モータ１としての出力トルクを有限要素法で求めた。

（比較結果）
比較結果を示した表１に示されるように、比較例１の出力トルクの値を１００％としたときの実施例１のトルク比率は１０１．２％、実施例２のトルク比率は１０２．３％であった。

（実施例３）
実施例３は、実施例１における永久磁石４を、図１０及び図５（Ｃ）に示す永久磁石５５に置き換えた以外は、実施例１と同様の構成である。なお、図５（Ｃ）は２つの磁石の配置関係及び磁化方向を示すための模式図であり、磁石の寸法については図５（Ｃ）よりも図１０が正確である。より詳細には、実施例３の永久磁石５５は、実施例２の永久磁石５３と同様に、２つの磁石４Ｃ，４Ｄが長辺方向（Ｘ軸方向）に沿って並べて配置されており、また、磁石４Ｃの磁化方向Ｍ３がＹ軸正方向であり、磁石４Ｄの磁化方向Ｍ４が磁石４Ｃ側に３０°傾斜（Ｙ軸正方向から３０°傾斜）している。実施例２の永久磁石５３では、厚さが大きい領域を形成する突出部が回転軸に対して外方にのみ配置されているのに対し、実施例３の永久磁石５５では、上記突出部が対向する主面の両方に形成されている。このように構成した実施例３においても、実施例１と同様に、２０℃、ピーク電流１００［Ａ］、電流位相角β＝３０°の３相交流電流を巻線６に通電しながら１０００［ｒｐｍ］で回転子３を回転させた時の、モータ１としての出力トルクを有限要素法で求めた。

（比較例２）
比較例２は、実施例３における永久磁石５５を、図１１に示す永久磁石４０２に置き換えた以外は、実施例３と同様の構成である。永久磁石４０２は、磁石４Ｃ（永久磁石５５の磁石４Ｃと同様）と磁石４０２Ｄとを長辺方向に沿って並べて配置して形成されている。すなわち、永久磁石４０２では、実施例３の永久磁石５５の磁石４Ｄに代えて、磁石４０２Ｄが採用されている。永久磁石５５の磁石４Ｄの磁化方向Ｍ４がＹ軸正方向から３０°傾斜しているのに対して、永久磁石４０２の磁石４０２Ｄの磁化方向Ｍ６はＹ軸正方向である。このように構成した比較例２においても、実施例１と同様に、２０℃、ピーク電流１００［Ａ］、電流位相角β＝３０°の３相交流電流を巻線６に通電しながら１０００［ｒｐｍ］で回転子３を回転させた時の、モータ１としての出力トルクを有限要素法で求めた。

（比較結果）
比較結果を示した表１に示されるように、比較例２の出力トルクの値を１００％としたときの実施例３のトルク比率は１００．６％であった。

上述したように、実施例１～３のトルク比率はいずれも、比較例１又は比較例２のトルク比率１００％より大きくなることが確認された。すなわち、実施例１～３の構成を採用することによりモータ１の出力トルクを高める効果が得られることが示された。

１…モータ、３…回転子、４、５１，５２…永久磁石、７…コア、４５…配向制御領域、４Ａ、４Ｂ、４Ｃ…磁石。

Claims (11)

1. モータの回転子に取り付けられる希土類系磁石からなる永久磁石であって、
   磁化の方向が互いに異なる複数の長方形平板状の磁石のみを組み合わせることにより構成され、
   長手方向に沿って磁化の方向が他の領域と異なる配向制御領域を有し、
   前記配向制御領域は、突出部を有する、永久磁石。
2. モータの回転子に取り付けられる希土類系磁石からなる永久磁石であって、
   磁化の方向が互いに異なり、互いの磁化の方向がなす角度が１°～４５°である複数の磁石を組み合わせることにより構成され、
   長手方向に沿って磁化の方向が他の領域と異なる配向制御領域を有し、
   前記配向制御領域は、突出部を有する、永久磁石。
3. 前記配向制御領域では、厚さ方向に沿って磁化の方向が互いに異なる複数の磁石が重ねられている、請求項１又は２に記載の永久磁石。
4. 前記複数の磁石は、前記厚さ方向に沿ってのみ互いに重ねられている、請求項３に記載の永久磁石。
5. 前記複数の磁石は２つの板状の磁石であって、
   前記配向制御領域では、前記２つの板状の磁石が前記厚さ方向に重ねられている、請求項３又は４に記載の永久磁石。
6. 外形が直方体形状である、請求項１～４のいずれか一項に記載の永久磁石。
7. 前記突出部は、前記回転子の外方側に突出している、請求項１～５のいずれか一項に記載の永久磁石。
8. 複数の磁石挿入孔を有する回転子と、
   前記複数の磁石挿入孔にそれぞれ収容される希土類系磁石からなる複数の永久磁石と、
   を有するモータであって、
   前記永久磁石のうちの一部は、磁化の方向が互いに異なる複数の長方形平板状の磁石のみを組み合わせることにより構成され、長手方向に沿って、磁化の方向が他の領域と異なる配向制御領域を有し、
   前記配向制御領域は、突出部を有する、モータ。
9. 複数の磁石挿入孔を有する回転子と、
   前記複数の磁石挿入孔にそれぞれ収容される希土類系磁石からなる複数の永久磁石と、
   を有するモータであって、
   前記永久磁石のうちの一部は、磁化の方向が互いに異なり、互いの磁化の方向がなす角度が１°～４５°である複数の磁石を組み合わせることにより構成され、長手方向に沿って、磁化の方向が他の領域と異なる配向制御領域を有し、
   前記配向制御領域は、突出部を有する、モータ。
10. 前記複数の磁石挿入孔は、前記回転子の回転軸の周りに周期的に配置されて、
    前記複数の磁石挿入孔のうちの２つの連続する磁石挿入孔に収容される２つの永久磁石により、前記回転子の磁極が構成され、
    前記磁極を構成する前記２つの永久磁石は、仮想線に対して対称に配置され、
    前記２つの永久磁石のそれぞれは、前記仮想線から遠い方の端部側に、前記配向制御領域を有する、請求項８又は９に記載のモータ。
11. 前記突出部は、前記回転子の外方側に突出している、請求項８～１０のいずれか一項に記載のモータ。
    

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