特表 2024-518964 組み込まれた相変化材料を含む永久磁石

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-05-08

(54)【発明の名称】組み込まれた相変化材料を含む永久磁石

(51)【国際特許分類】

   H01F 7/02 20060101AFI20240426BHJP

   H02K 1/276 20220101ALI20240426BHJP

   H02K 15/03 20060101ALI20240426BHJP

   H01F 41/02 20060101ALI20240426BHJP

【ＦＩ】

H01F7/02

H02K1/276

H02K15/03 A

H01F41/02 G

H01F7/02 E

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023569816

(86)(22)【出願日】2022-05-20

(85)【翻訳文提出日】2024-01-09

(86)【国際出願番号】 IB2022054752

(87)【国際公開番号】W WO2022243974

(87)【国際公開日】2022-11-24

(31)【優先権主張番号】63/190,871

(32)【優先日】2021-05-20

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】595006223

【氏名又は名称】ナショナル リサーチ カウンシル オブ カナダ

(74)【代理人】

【識別番号】100107456

【弁理士】

【氏名又は名称】池田 成人

(74)【代理人】

【識別番号】100162352

【弁理士】

【氏名又は名称】酒巻 順一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100123995

【弁理士】

【氏名又は名称】野田 雅一

(72)【発明者】

【氏名】ラマール， ジャン‐ミシェル

(72)【発明者】

【氏名】イブラヒム， マゲド

(72)【発明者】

【氏名】ベルニエ， ファブリス

(72)【発明者】

【氏名】ペルティエ， ロジャー

【テーマコード（参考）】

5E062

5H622

【Ｆターム（参考）】

5E062CC02

5E062CD04

5E062CE01

5E062CG01

5H622CA02

5H622CA10

5H622CB05

5H622DD02

(57)【要約】

電気機械における使用のための永久磁石（ＰＭ）が、ＰＭに組み込まれた相変化材料（ＰＣＭ）を含む少なくとも１つの空洞を含み、ＰＣＭが約８０℃～約２００℃の間の相転移温度、及び、少なくとも５０ｋＪ／ｋｇの潜熱をもつことが好ましく、ＰＭにおいて、各空洞が、２つの次元で比較的短い寸法をもつＰＭの一方側から延びた行き止まりの長尺のチャンバーであり、各空洞の比較的長い寸法が、実質的に同じ方向に配向されており、ＰＭが、硬磁性相と結合相とを含み、ＰＭが、少なくとも１５０メガパスカル（ＭＰａ）の最大引張強度をもち、ＰＭが、電気機械の回転子に搭載されており、コールドスプレー積層造形（ＣＳＡＭ）により形成される。
【選択図】 図３ｂ

【特許請求の範囲】

【請求項1】

電気機械における使用のための永久磁石（ＰＭ）であって、前記ＰＭが、前記ＰＭに組み込まれた相変化材料（ＰＣＭ）を含み、前記ＰＣＭが、約８０℃～約２００℃の間の相転移温度をもつ、ＰＭ。

【請求項2】

前記相転移温度が１５０℃～約２５０℃の間である、請求項２に記載のＰＭ。

【請求項3】

前記ＰＣＭが少なくとも５０ｋＪ／ｋｇの潜熱をもつ、請求項１又は２に記載のＰＭ。

【請求項4】

前記ＰＣＭがパラフィン、エリトリトール、又はそれらの組み合わせから選択される、請求項１～３のいずれか一項に記載のＰＭ。

【請求項5】

前記ＰＭが、前記ＰＣＭが組み込まれた複数の空洞を備える、請求項１～４のいずれか一項に記載のＰＭ。

【請求項6】

前記ＰＭが１０個よりも少ない前記空洞を含む、請求項５に記載のＰＭ。

【請求項7】

前記ＰＭが５個よりも少ない前記空洞を含む、請求項５に記載のＰＭ。

【請求項8】

各空洞が、２つのより短い寸法と１つのより長い寸法とをもつ、前記ＰＭの一方側から延びた行き止まりの長尺のチャンバーであり、各空洞の前記より長い寸法が、実質的に同じ方向に配向された、請求項５～７のいずれか一項に記載のＰＭ。

【請求項9】

各空洞が円柱又は平板形状を有することにより、前記空洞が、１つ又は複数の重なる孔を穿孔することによる製造に適合している、請求項８に記載のＰＭ。

【請求項10】

前記ＰＭが、硬磁性相と結合相とをもつ永久磁石材料を含み、前記ＰＭが、少なくとも１５０ＭＰａの最大引張強度をもつ、請求項１～９のいずれか一項に記載のＰＭ。

【請求項11】

前記硬磁性材料が、実質的にＡｌＮｉＣｏ合金、ＮｄＦｅＢ合金、ＳｍＣｏ合金、ＳｍＦｅＣｏ合金、又はそれらの組み合わせからなる、請求項１０に記載のＰＭ。

【請求項12】

前記硬磁性材料が、実質的にＮｄＦｅＢ又はＮｄＦｅＢ合金からなる、請求項１０に記載のＰＭ。

【請求項13】

前記結合剤が、実質的にＡｌ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ａｇ、Ａｕ、それらの合金、又はそれらの組み合わせからなる、請求項１０～１２のいずれか一項に記載のＰＭ。

【請求項14】

前記結合剤が、Ａｌ、又はその合金である、請求項１３に記載のＰＭ。

【請求項15】

前記ＰＭが、約３４ｖｏｌ％～約８５ｖｏｌ％の前記硬磁性相を含む、請求項１０～１４のいずれか一項に記載のＰＭ。

【請求項16】

前記ＰＭが、約５０ｖｏｌ％～約７５ｖｏｌ％の前記硬磁性相を含む、請求項１０～１４のいずれか一項に記載のＰＭ。

【請求項17】

電気機械のための回転子に搭載された、請求項１～１６のいずれか一項に記載のＰＭ。

【請求項18】

各空洞の前記より長い寸法が前記回転子の回転軸線に平行に配向されており、２つ以上の孔が穿孔された場合、それらが前記回転軸線から半径方向外向きに配置されている、特に請求項８の特徴を含む請求項１７に記載の回転子。

【請求項19】

前記ＰＭと回転子との間の連結が、前記回転子における積層造形（ＡＭ）による前記ＰＭの形成に適合していることにより、前記回転子に前記ＰＭを接合することが前記ＰＭの製造中に実現される、請求項１７又は１８に記載の回転子。

【請求項20】

前記連結が、コールドスプレー積層造形による形成に適合した、請求項１９に記載の回転子。

【請求項21】

電気機械を生成するために車軸と固定子とに搭載された、請求項１７～２０のいずれか一項に記載の回転子。

【請求項22】

永久磁石（ＰＭ）を製造する方法であって、前記方法が、
永久磁石材料を準備し、前記永久磁石材料を使用して基材に直接、積層造形することにより前記ＰＭを形成するステップと、
前記ＰＭを仕上げ、相変化材料を保持するために前記ＰＭ内に空洞を生成する又は仕上げるステップと、
前記ＰＭに前記相変化材料を組み込むステップと、
前記空洞を囲むステップと、
を含む、方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

[0001]本開示は概して、電気機械における使用のための永久磁石に関する。特に本開示は、永久磁石に組み込まれた相変化材料を含む電気機械における使用のための永久磁石に関する。

【背景技術】

【0002】

[0002]Ｍｕｈｌｂｅｒｇｅｒらのカナダ特許出願第２，１１８，５３９号は、永久磁石（ＰＭ）材料の近くにある回転子の絶縁リングに混ぜ込まれた相転移材料を幾つかの実施形態において含むＡＣ発電機について教示している。回転子は、ＰＭの交番リングとＰＣＭのための筐体とを含む。出願人は「相転移材料」を相変化材料（本明細書のＰＣＭ）と同義語と捉えている。ＰＭにＰＣＭを直接混ぜ込む場合の課題は、Ｍｕｈｌｂｅｒｇｅｒらによっては解決されておらず解決可能でもなく、結果として、実質的に比較的効果的ではない冷却がもたらされる。冷却のためには、放熱部材に対する広い表面積の直接的な接触のほうが、結合された離隔した接触に比べて非常に優れている。

【0003】

[0003]このセクションは本開示と関連していると考えられる当技術分野の様々な態様を紹介することを意図したものである。この説明は本開示の特定の態様のより深い理解に役立つと考えられる。したがって、このセクションはこの観点で読まれなければならないこと、及び、従来技術の自認として読まれてはならないことが理解されなければならない。

【0004】

[0004]電動モーターにおいて使用される例えばＮｄＦｅＢ永久磁石といった永久磁石の磁気性能は、動作温度が上昇するにつれて急速に低下することが知られている。出力需要が高まるのに伴ってモーターの動作温度が急速に上昇するので、これはモーターの出力を制限する。これは、例えば高速道路での加速中、又は航空機の離陸中といった、高いピーク出力が比較的短時間に必要とされる用途の場合に特に問題となる。

【0005】

[0005]－典型的にはより高い割合の重希土類元素（例えばＤｙ又はＴｂ）を含む－より高いグレードの磁石は、減磁を比較的もたらしにくく、したがって、より高い最大動作温度に耐えることがよく知られている。より高いグレードの磁石はより高価であり、より高いグレードの磁石の価格は不安定である。更に、最高グレードのＮｄＦｅＢ磁石でさえ約１７０℃の最大動作温度をもつ。したがって、電気機械では温度上昇制限（ＴＲＬ）技法を使用することが望ましい。最大数千ＲＰＭの様々な速度で動作する回転子部品内に液体を送達することは実用的でないので、ＴＲＬ技法は典型的には、電気機械の固定子における特徴に制限された熱流体循環（典型的には液体）により実現される冷却システムを含む。回転子部材のためのＴＲＬ技法は通常、回転子と冷却された固定子との間の自然な熱伝達に依存する。上述のように、ＰＣＭを使用して回転子の過熱を防ぐことが知られているが、ＰＭ内へのＰＣＭの組み込みは知られていない。

【0006】

[0006]結果として、モーターの製造コストが磁石の材料コストに大きく影響される。設計可能性は製造技術により実現され得る磁石の形状及び配置により制限される。従来、ＰＭは粉末の冶金学的な形成及び焼結により製造されるが、これらの方法は回転子における形成を可能にせず、したがって、回転子にＰＭを搭載する独立したステップが典型的には必要とされ、搭載することは典型的には接着剤、スロット形成、又はねじにより実現される。ＰＭを取り扱うこと、位置合わせすること、接合すること、及び機械加工することは、それらの機械的性質により制限される。

【0007】

[0007]本目的に対する、粉末冶金により形成されたＰＭ材料の主な短所は、本明細書においてもろさと呼ばれる、ＰＭ材料の低い最大引張強度、脆性、及び低い延性の組み合わせである。典型的な高グレードのＰＭ材料のもろさは、低コストで高速で品質の保証された工程で回転子に搭載され得る設計及び形状サイズ及び形状に対して多くの実用上の、及びコスト的な制限をもたらす。したがって、製造コスト、機械加工制限、及び機械的一体性要件が、比較的単純で幾分太くて短いＰＭ形状をもたらす。

【0008】

[0008]これらの形状制限は、ＰＭ部材の組立の方法にかかわらず、組み込まれたＴＲＬシステムを設計することに対して、非常に問題となる。ＴＲＬは内在的に、及び不可避的に、ＰＭ内に温度勾配を局所的に生成し、温度勾配は熱応力を大きくし得る。（熱制御が最も必要とされる場合に）ＰＣＭにＰＭ材料との最も密な接触をもたらす空洞及び窪みを設けることは、破損のリスクを高めるＰＭ材料の薄いネックを形成し得る。

【0009】

[0009]ＰＭ部品を形成するための積層造形（ＡＭ）及び特にコールドスプレー積層造形（ＣＳＡＭ）の使用は多くの問題を解決し得る。ＣＳＡＭは、数ｋｇ／時間の速度でＰＭ粉末とともに例えばＣｕ又はＡｌといった金属（又はそれらの合金）を一緒に積層し得る。材料内に混ぜ込まれた金属は、堆積効率を改善し、及び、改善された熱伝導率をもつＰＭを生成し、及び、もろさを大幅に低減する。ＣＳＡＭは回転子に直接ＰＭ部品を構築することができ、高い接着強度及びその高い信頼性を実現することができる。回転子自体への堆積は、複雑な組立ステップを回避する。ＰＭから回転子への熱伝達を制限し得る、又は、ＰＣＭの空洞に侵入し得る接着剤又は組立体に伴う全ての問題が回避される。ＰＭの設計は、回転子からのＰＭの剥離又は分離のリスクを小さくしながら、ＰＭ材料のより計画的な配置を実現し得る。これらの比較的もろくなく、より信頼性高く接着したＰＭにより、組立リスクの多く、作業負荷の大部分、及び設計制限が回避され得る。応力に対してより高い回復力をもつＰＭ材料の使用は、より効果的に配置されたＰＣＭのＰＭ内への混ぜ込み、及び高価なＰＭ材料の使用の削減のために非常に望ましい。

【0010】

[0010]したがって、概してＴＲＬに対する代替的なアプローチ、及び、電気機械における、特に回転要素におけるＰＭのより効果的な局所冷却の必要性が残されている。

【発明の概要】

【0011】

[0011]本開示の態様では、電気機械における使用のための永久磁石（ＰＭ）が提供され、ＰＭはＰＭ内に組み込まれた相変化材料（ＰＣＭ）を含み、ＰＣＭは約８０℃～約２００℃の間の相転移温度をもつ。

【0012】

[0012]それぞれの実施形態において、ＰＣＭは、１５０℃～約２５０℃の間の相転移温度をもつこと、少なくとも５０ｋＪ／ｋｇの潜熱をもつこと、又は、パラフィン、エリトリトール、又はそれらの組み合わせを含むことにより特徴付けられ得る。

【0013】

[0013]一実施形態において、永久磁石は、硬磁性相と結合相とをもつ硬磁性材料を含む。一実施形態において、硬磁性材料は、実質的にＡｌＮｉＣｏ合金、ＮｄＦｅＢ合金、ＳｍＣｏ合金、ＳｍＦｅＣｏ合金、又はそれらの組み合わせからなる。一実施形態において、硬磁性材料は、実質的にＮｄＦｅＢ、ＮｄＦｅＢ合金、又はそれらの組み合わせからなる。一実施形態において、結合剤は、実質的にＡｌ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ａｇ、Ａｕ、それらの合金、又はそれらの組み合わせからなり、結合剤は、どの他の元素よりも多くのＡｌ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｎｉ又はＦｅを含むことが好ましい。一実施形態において、結合剤は、Ａｌ、又はその合金である。

【0014】

[0014]一実施形態において、永久磁石は少なくとも約３４ｖｏｌ％の硬磁性相と少なくとも１０ｖｏｌ％の結合剤とを含み、組成物の少なくとも７０％が結合剤と硬磁性相とからなる。少なくとも５１ｖｏｌ％の硬磁性相がほとんどの用途に必要であり、合理的に有効な工程において約７５ｖｏｌ％が実証されているが、より高い、例えば８５ｖｏｌ％ほど高い体積分率の硬磁性相が幾つかの堆積工程を使用すると可能である。当業者は、場合によっては金属結合剤によりもたらされる機械的性質を犠牲にして、磁石の残留磁気を改善するために硬磁性相の体積分率が高められ得ることを認識する。更に、より高い堆積効率を伴って、より高い硬磁性相の体積分率をもたらすための技術的改善が想定される。

【0015】

[0015]それぞれの実施形態において、ＰＭは、例えば１対１０、又は５対１０の空洞といった、相変化材料が組み込まれた１つ又は複数の空洞を含む。

【0016】

[0016]一実施形態において、空洞の各々は、２つの次元でより短い寸法をもち１つの次元でより長い寸法をもった、ＰＭの一方側から延びた行き止まりの長尺のチャンバーであり、各空洞のより長い寸法は実質的に相互に並列に配向されており、又は、各々がＰＭの表面に対して（＋／－１５°内で）局所的に垂直であってもよい。各空洞は、ＰＭの穿孔による生成に適した円柱形状又は錐台形状をもってもよい。

【0017】

[0017]別の実施形態では、空洞が表面にあろうが表面下の空洞であろうが、空洞の各々はＰＭの表面から（例えば＋／－１５％で）実質的に一定の距離に延びている。

【0018】

[0018]一実施形態において、ＰＭは電気機械のための回転子に搭載されている。空洞が長尺である限り、空洞は半径方向ではなく、回転子軸線に平行に、又は軸線の周囲で方位角的に（円周方向に）延びたものであってもよいことが好ましい。ＰＭはＡＭによる形成に適し、ＣＳＡＭを使用した形成に適し得ることが好ましい。回転子は電気機械を生成するために車軸に、及び固定子に搭載されてもよい。

【0019】

[0019]一実施形態において、永久磁石は、例えばコールドスプレー積層造形といった積層造形により作られる。

【0020】

[0020]本開示の別の態様は、永久磁石を製造する方法であって、方法が、永久磁石材料を準備し、永久磁石材料を使用して基材に直接、積層造形することにより永久磁石を形成するステップと、ＰＭを仕上げ、相変化材料を保持するためにＰＭ内に空洞を生成する又は仕上げるステップと、永久磁石に相変化材料を組み込むステップと、空洞を囲むステップとを含む、方法である。

【0021】

[0021]本方法の一実施形態では、空洞を生成する又は仕上げるステップが、永久磁石に空洞を形成することを含む。一実施形態において、積層造形は、固体形態で相変化材料を堆積させること、又は、粉末形態で相変化材料を堆積させた後に粉末を硬化させること、液体形態で相変化材料を注いだ後に液体形態を固化させることを更に含む。本方法の一実施形態において、永久磁石を形成するステップは、永久磁石材料を使用して空洞を規定する永久磁石を順次的に構築することを含む。

【0022】

[0022]一実施形態において、空洞を囲むことは、機械加工された圧入キャップ又はねじ込みキャップを使用して空洞を閉じることを更に含む。

【0023】

[0023]本開示の他の態様及び特徴が、添付図面と併せた特定の実施形態の以下の説明の理解により当業者に明らかになる。

【図面の簡単な説明】

【0024】

[0024]本開示の実施形態が、添付図面を参照しながら単なる例示として以下で説明される。

【図1a】本発明により構成され得る電動の乗り物のための永久磁石モーターの半分の２Ｄ概略表現を示す図であり、モーターは１０個の回転子極と１２個の巻線とを含む。

【図1b】本発明により構成され得る電動の乗り物のための永久磁石モーターの半分の３Ｄモデルを示す図であり、モーターは１０個の回転子極と１２個の巻線とを含む。

【図2a】図１のモーターのトルク速度曲線及び異なる駆動状態に対応した異なるモーター動作点を示す図である。

【図2b】動作点に対する異なるモーター損失成分を示す図である。

【図3a】主要なモーター部品を含む本発明の実施形態によるモーター組立体の半分の概略図であり、概略図は異なる熱伝達の仮定を識別するためにラベル付けされており、空隙寸法が本発明の実施形態のシミュレーションにおいて使用されており、モーター組立体の３Ｄモデルである。

【図3b】主要なモーター部品を含む本発明の実施形態によるモーター組立体の半分の概略図であり、概略図は異なる熱伝達の仮定を識別するためにラベル付けされており、空隙寸法が本発明の実施形態のシミュレーションにおいて使用されており、モーター組立体の平面図である。

【図3c】主要なモーター部品を含む本発明の実施形態によるモーター組立体の半分の概略図であり、概略図は異なる熱伝達の仮定を識別するためにラベル付けされており、空隙寸法が本発明の実施形態のシミュレーションにおいて使用されており、モーター組立体の側面図である。

【図4a】相変化材料に対する概略的な典型的な熱容量対温度曲線の図である。

【図4b】幾つかの他のＰＭ材料と比較した、コールドスプレーされた積層造形されたＰＭ材料の最大引張強度を示す棒グラフである。

【図5a】組み込まれたＰＣＭを含む、及び含まない、上り坂運転シナリオ中の時間の関数としてのシミュレーションによる平均磁石側部温度上昇を示すグラフである。

【図5b】高速道路での加速シナリオ中に観測された同じシミュレーションシステムの同じ特徴を示す図である。

【図6】組み込まれたＰＣＭを含む、及び含まない、上り坂運転シナリオの１５秒後のシミュレーションによる磁石温度分布を示す図である。

【図7】モーターが１時間にわっって定常状態で動作させられ、モーターが６０秒間にわたってピーク需要で動作させられた後、更に１時間の持続期間にわたって再度定常状態で動作させられるシミュレーションによる電動の乗り物の動作シナリオにわたる磁石側部温度のグラフである。

【図7a】ＰＣＭに伴う温度低下を明確に示すピーク需要に対応した期間にわたる拡大図を示す図７のグラフの拡大図である。

【図8a】図７に示されているモーター動作シナリオのもとでのシミュレーションによる平均及び最大磁石温度を示す図である。

【図8b】ピーク需要に対応した期間にわたる拡大図である。

【図8c】高出力需要期間中に（１１８Ｃより高い温度で）溶融された効果的な相変化材料のパーセンテージのグラフであり、このシナリオでは総ＰＣＭ体積の１０．５％のみが図９ａのＰＣＭ構成において効果的であることを示す図である。

【図9a】本発明の実施形態による、より良いＴＲＬのための永久磁石のセグメント分けの例を示す図である。

【図9b】本発明の実施形態による、より良いＴＲＬのための永久磁石のセグメント分けの他の例を示す図である。

【図9c】本発明の実施形態による、より良いＴＲＬのための永久磁石のセグメント分けのさらに他の例を示す図である。

【図10a】ＰＣＭを含まない永久磁石、及び図９ａ～図９ｃの３つのセグメント分けの例の熱過渡分析の複数のグラフである。

【図10b】図９ａ～図９ｃの３つのセグメント分けの例に対する１５０℃に達するための過渡時間を示すヒストグラムである。

【図11】図１０ａに示されているシミュレーションによる工程の９０秒データ点における温度分布の図である。

【図12】セグメント分けされたＰＭ設計を本発明の一実施形態による組み込まれた空洞ＰＭ設計と比較したパネルの図であり、パネルは、２つのＰＭ設計に対して並んだ、側面図、シナリオにおける対応する瞬間におけるシミュレーション中の温度分布、及び、シナリオにおける対応する瞬間における熱流束を示す熱流束ベクトルプロットを含む。

【図13】ＴＲＬ目的でのＰＭへのＰＣＭの組み込みによってもたらされる小さい違いを示す図１２の設計に対する温度対時間プロットの図である。

【図14】丸みを帯びた上面を特徴とする組み込まれた空洞ＰＭ設計の変形例の側面図であり、一方の側が封止された反対を向く２つの側から穿孔された孔により空洞が形成される。

【図14a】ＰＭに埋設された縦空洞の構成を示す線ＡＡで切断された図１４のＰＭ設計の断面図である。

【図15a】各角度がＰＭ部品の表面に垂直である異なるそれぞれの角度から先細ビットにより穿孔されたものとして各々が形成される２つの異なるサイズの５つの錐台空洞を特徴とするＰＭ設計の第２の変形例を通る概略断面図である。

【図15b】図１５ａのＰＭの端面図である。

【図16】一定の距離ぶん（示されている）上面から奥まった状態にある長尺空洞と、側部空洞が延び始めるそれぞれの側面からの距離に伴って非一定で単調減少する直径をもつ２つの側部空洞とを特徴とする第３の変形例のＰＭ設計を示す概略断面図である。

【図17】第４の変形例のＰＭ設計を示す概略断面図であり、第４の変形例は、ＰＭの（示されている）側部に固定の深さぶん延びた２つの表面隆起部、及び、ＰＭの中央に翼状に延びた２つの低い高さのファン形窪みを特徴とする。

【図18a】ＰＭとそのローターとの間の接触熱抵抗の関数としてのシミュレートされた温度上昇を示すマルチグラフであり、接触熱抵抗は１／１０ｍｍ、１／２０ｍｍ、１／４０ｍｍ、及び無ギャップのギャップの関数として示されている。

【図18b】それぞれのギャップを有する図１２に従ったＰＭデザインの温度分布モデルを示す。

【0025】

[0044]図が例示に過ぎないこと、及び、図面により本開示の範囲に対する如何なる限定も意図されていないことに留意されなければならない。

【発明を実施するための形態】

【0026】

[0045]本明細書において使用されるとき、「（１つ又は複数の）ＰＭ」、「（１つ又は複数の）磁石」、「（１つ又は複数の）硬磁石」、及び「（１つ又は複数の）永久磁石」という用語は、（１つ又は複数の）永久磁石を表すために交換可能に使用される。

【0027】

[0046]本明細書において使用されるとき、「ＮｄＦｅＢ」はＰＭ部品の、又はＰＭ部品を形成するための硬磁性材料を表し、別様に「ＦｅＮｄＢ」と表されてもよく、又は、任意の他の順序（又は割合）の元素Ｎｄ、Ｆｅ、及びＢで表されてもよい。幾つかの実施形態では、他の元素が、例えば高い温度安定性といった特定の特性を制御するために硬磁性粉末のＮｄＦｅＢに追加されてもよい。

【0028】

[0047]本明細書において使用されるとき、「ＰＣＭ」は相変化材料を表す。

【0029】

[0048]本明細書において使用されるとき、「ＴＲＬ」は温度上昇制限を表し、特に高トルク負荷、又はオーバーバースト、又は短い期間の高熱出力といった動作中にＰＭ過熱の傾向を減らすシステム、技法、又は構造を修飾する形容詞である。

【0030】

[0049]概して、本開示は、組み込まれた相変化材料を含むＰＭを提供する。相変化材料は、動作中にＰＭの温度上昇を制限することができる。ＰＭは、例えば電気機械及び特に電動モーターといった用途において使用され得る。電動モーターは、（人間の搬送される者又は乗っている人又はオペレーターであるか否かにかかわらず、及び、重航空機（固定翼又は回転翼航空機）であるか軽航空機又はそれらのハイブリッド）であるかにかかわらず、有人のもの、遠隔操縦されるもの、自律したもの、又はそれらの任意のハイブリッドなものを含む）電動の地上の乗り物において、又は航空機において使用されることができる。ＰＣＭはＰＭの構造物に組み込まれ、及び電動モーターの回転子に組み込まれることが有益である。

【0031】

[0050]本発明者らは、ＰＣＭがＰＭ内に一体的に保持された、又はＰＭに組み込まれたとき、ＰＣＭがＰＭの温度上昇を抑えることを見出した。「～に組み込まれた」というとき、出願人は、ＰＣＭの表面積の少なくとも８０％がＰＭに隣り合っているという点で、ＰＣＭがＰＭの壁により囲まれていることを意図している。ＰＣＭはＰＭにより少なくとも４つの側部を囲まれていることが好ましく、５つの側部を囲まれていることがより好ましい。

【0032】

[0051]ＰＣＭは、ＰＣＭの任意の部分が相転移温度に到達したときに吸収される多量のエネルギーを蓄積し得る（図４ａ参照）高い潜熱をもつ材料である。本発明によると、その温度は、ピーク動作状態のもとでの電気機械のＴＲＬに対して選択される。現在のＰＭ材料において有用であるように、相転移温度は２００℃未満（例えば最高グレードのＮｄＦｅＢに対して約１７０℃）である。

【0033】

[0052]理論的に縛られるわけではないが、組み込まれたＰＣＭは特にピーク出力がモーターから要求される短い相中にエネルギー貯蔵バッファとして機能することにより、ＰＭの最大温度を下げると考えられる。モーターの動作は、ピーク出力イベント後に蓄積された熱が放散することを可能にする。

【0034】

[0053]組み込まれたＰＣＭを含む本開示のＰＭは、幾つかのモーターパフォーマンスの改善又はコスト削減を実現するために、異なるモード及び構成において使用され得る。例えば、最大温度の低下は、モーターのコストを下げるために、より高い動作温度でより安定しないより低いコストの磁石グレードの使用を有益に可能にし得る。組み込まれたＰＣＭを含むＰＭは、最大磁石温度を一定に維持しながら、モーターピークパワー出力を改善するために、より大きいコイル電流と組み合わせて更に有益に使用され得る。モーターの特徴がＰＣＭを使用して更に調整され得、このことが異なる構成によるＰＣＭの配置を可能にし得る。金属結合剤と硬磁性粉末とを含むＰＭ材料の高い最大引張強度が与えられたとき、ＰＭに対する形状制限が緩和され得る。ＰＭに組み込まれたＰＣＭは、ＰＭ温度の急上昇を防ぐためにモーター内蔵安全機能として使用され得る。

【0035】

[0054]図４ｂは、コールドスプレー積層造形された（が熱処理されておらず、及び別様に最適化されていない）ＰＭ材料が、焼結された、（射出モールド成形又は結合剤を使用した圧縮成形により）接合された、又は大面積の積層造形より高い最大引張強度（ＵＴＳ）をもち得る程度を示す棒グラフである。これらの製造方法のうちの全てが結合剤を入れる余地があるが、形成される部品が常に基材（又は回転子）に結合されて形成されるわけではなく、全ての結合剤が全ての工程とともに取り扱うことができるわけではなく、例示されているように、ＣＳＡＭがコールドスプレー工程の堆積効率を改善する金属結合剤を提供するとともに、優れた強度２１０ＭＰａ及び３５５＋／－７ＭＰａの抗折力を材料にもたらす。材料は弾性変形を示すが、断裂前に限られた塑性変形をする。したがって、金属結合剤を含む種々のＰＭ材料は、現在のＰＭに伴うＴＲＬの課題を軽減することによく適した機械的性質を与えられることが期待されるとともに、より少ない結合剤投入量による更なる改善、及び延性の更に大幅な改善が現在実現可能であり、及び特許の存続期間にわたって更に発展させられることが期待される。磁石のＣＳＡＭ製造のための存在の好ましい手法は、９０％のＮｄＦｅＢに対して１０％のＡｌという予め定められた重量比を使用した、磁性粉末（すなわちＮｄＦｅＢ）と結合剤粉末（すなわちＡｌ）との事前混合を伴う。この比率は、産業用途に対する十分な堆積効率を維持しながら硬磁性相の体積分率を最大化するように選択される。混合された粉末は、６００℃～８００℃の温度及び４．９ＭＰａの圧力において、加圧された気体とともにＣＳＡＭ機器において処理される。当業者は、市販され得る粉末モルフォロジー、サイズ、及び組成の異なる選択により、及び、例えばノズル詰まり及び最大システム圧力といった工程上の制約により規定されるスプレーパラメータにより、最適な重量比が大幅に変更され得ることを認識する。

【0036】

[0055]本発明者らは、圧密により製造された従来の磁石にＰＣＭを組み込むことは困難であることを見出した。実際、ＰＣＭは相転移中に液体になり、ＰＣＭは回転子に加わる向心力による影響を受けるので、保持構造物が必要とされる。従来の焼結された磁石はもろく、機械加工することが困難であり、従来の焼結された磁石の形状は、ＰＣＭを収容することに適した構造物の製造を実用的でないものにするような単純な形状に制限される。それに対し、複雑な中空構造物は、積層造形により製造された、又は別様に実質的に金属結合剤と硬磁性粉末とからなるＰＭに内蔵され、又はＰＭ内に機械加工されることができ、設計者がＰＣＭをより効果的に配置すること、及び、ＰＣＭを含めることを可能にする。

【0037】

[0056]本発明は、組み込まれたＰＣＭを含むＰＭを製造する方法を更に提供する。本方法は、例えばコールドスプレーといった積層造形を通してＰＭを製造することを含む。ＰＭは、更なる組立を必要とせずに基材に直接製造されることが有益である。ＰＣＭは次に磁石に組み込まれる。

【0038】

[0057]積層造形を通して作られたＰＭにＰＣＭを組み込む幾つかの手法が存在する。

【0039】

[0058]例えば、ＰＭは、ＰＣＭが挿入される空洞を伴う積層造形を使用して直接製造されることができる。ＰＣＭがその融点温度に到達したとき、ＰＣＭは液体になることができる。したがって、ＰＣＭはＰＭの空洞に留まり、その相変化にわたってエネルギーを吸収し、したがってピーク温度を制限することとなる。当技術分野において現在利用可能な方法とは対照的に、ＰＣＭはＰＭにおける循環を一切必要としない材料であり、したがって、回転子構造物に材料を案内すること、接続部材を接続すること、及びより重要なことには可変の遠心環境において動作し得る圧送装置を不要とすることが有益である。結果として得られる構造物は、更なる可動部品を含まなくてもよく、更なる電力又は制御システムの使用を必要とせず、したがって、回転子の重量を改善し、概して障害及び漏れを引き起こしにくく、ＰＭがその予め定められた動作温度範囲内に留まるのであれば、保守をせずに多くのサイクルのために使用されることができる。

【0040】

[0059]本開示は、ＰＭ、回転子、又はＰＭを備える電気機械、及びＰＭを製造する方法を更に説明している。積層造形は、例えば金属－ＮｄＦｅＢ複合体のコールドスプレーにより、複雑な形状をもつＰＭの設計及び製造を可能にすることができる。本明細書において説明されているように、例えばコールドスプレーといった積層造形は、ＰＣＭがＰＭに組み込まれること、又はＰＭに埋設されることを可能にする。ＰＣＭは、ＰＭ内に構築された後にＰＣＭにより充填された空洞を通して組み込まれることができることが有益である。加えて、本明細書において説明されている方法は、磁石が例えば電動モーターの回転子といった表面に直接製造されることを実現し、したがって、断熱性の空気又は接着剤界面を無くす。これはアルミニウム結合剤含有物より更に高く熱伝導率を改善するために本明細書において以下で例示される。

【0041】

[0060]一実施形態において、ＰＭ材料を準備することと、基材に直接、積層造形することによりＰＭと空洞とを形成することとを含む、ＰＭを製造する方法が存在する。次にＰＣＭが空洞内に挿入される、又は注がれる。空洞は、例えば機械加工された圧入キャップ又はねじ込みキャップ、又は任意の適切なカバーを使用して閉じられ得る。

【0042】

[0061]ＰＭを製造する方法は、ＰＭを繰り返し形成すること、すなわち、永久磁石材料を使用して空洞を規定するＰＭを順次的に構築することを含むことができる。次にＰＣＭが空洞内に挿入され、又は注がれ得る。

【0043】

[0062]別の実施形態では、基材が金属基材である、ＰＭを製造する方法が提供される。別の実施形態では、金属基材が、アルミニウムベースの基材、鉄ベースの基材、銅ベースの基材、又はそれらの組み合わせである。

【0044】

[0063]別の実施形態では、硬磁性相と金属結合剤とを含む粉末組成物から作られたＰＭが存在する。硬磁性相は、ＡｌＮｉＣｏ合金、ＮｄＦｅＢ合金、ＳｍＣｏ合金、ＳｍＦｅＣｏ合金、又はそれらの組み合わせを含んでもよい。硬磁性粉末は、ＮｄＦｅＢ、ＮｄＦｅＢ合金、又はそれらの組み合わせを含んでもよい。一実施形態において、結合剤は、実質的にＡｌ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ａｇ、Ａｕ、又はそれらの組み合わせの純金属又は合金からなり、結合剤はどの他の元素よりも多くのＡｌ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｎｉ又はＦｅを含むことがより好ましい。一実施形態において、結合剤Ａｌ、又はその合金である。ＰＭ粉末組成物は、約３４ｖｏｌ％～約８５ｖｏｌ％の硬磁性相を含むことが好ましい。出願人は、ＣＳＡＭ ＰＭが約７５ｖｏｌ％の硬磁性相を含むことを実証した。結合剤及び硬磁性相は、少なくとも７０ｖｏｌ％のＰＭを含むことが好ましい。

【0045】

[0064]別の実施形態では、ＰＭを製造する方法はＰＭを構築するためにＣＳＡＭを使用する。

【0046】

[0065]一実施形態において、ＰＣＭは、少なくとも５０ｋＪ／ｋｇの潜熱をもってもよい。ＰＣＭは、パラフィン、エリシルトール、又はそれらの組み合わせから選択されてもよい。下記の表１は、これらの２つの例示的なＰＣＭの特性を示す。

【表1】

【0047】

[0066]別の実施形態では、本明細書において説明されている方法により形成されたＰＭが提供される。別の実施形態では、電気機械を製造するための本明細書において説明されているＰＭの使用が提供される。

【0048】

[0067]別の実施形態では、電気機械を動作させるための本明細書において説明されているＰＭの使用が提供される。別の実施形態では、電気機械が例えば電動の乗り物又は航空機のように電動モーター又は電動エンジンを含む、本明細書において説明されているＰＭの使用が提供される。

【0049】

コールドスプレー積層造形
[0068]コールドスプレーは、基材に高速で衝突する粒子の変形及び接合により材料が基材に構築される工程である。概して、粒子は典型的にはドラバル構成を使用したノズルを通して供給される、例えば窒素といった加熱された高圧気体を使用して加速される。気体温度は摂氏何百度にも加熱されることがあるが、実際の粒子温度ははるかに低温に留まる。１秒当たり数百メートルの粒子速度が実現されることができ、これは、非常に高密度で（典型的には＜１％の有孔率で）材料を構築する傾向を示し、ほとんどの任意の他の技術を使用して実現され得る値より概して高い接着値を示し、押圧及び焼結技術により実現され得るものより高密度になる。

【0050】

[0069]密度も、例えばＵＴＳ＞１２０ＭＰａである、又は１５０ＭＰａより高い、又は更には２００ＭＰａより高い、高い最大引張強度の材料の生成のために本質的である。出願人は、焼結されたＰＭ複合体が典型的にはＵＴＳ＜８０ＭＰａを示すことを見出した（図４ｂ参照）。積層造形のための他の技術、又は、ＮｄＦｅＢとの（又は推定ではＡｌＮｉＣｏ、ＳｍＣｏ、又はＳｍＦｅＣｏとの）金属粉末の高温の、低温の、又は温かい圧密が、均一に制限されたＵＴＳをもつＰＭを製造すると考えられる。

【0051】

[0070]一実施形態において、コールドスプレー工程は、約４００℃～約８００℃又は約６００℃～約７００℃の主気体温度で、及び、約５ＭＰａ、又は約３ＭＰａ～約５ＭＰａの最大圧力でＰｌａｓｍａ Ｇｉｋｅｎ ８００ガンを使用して実行されることができる。別の実施形態では、表面まで約８０ｍｍのスプレー距離が使用されてもよい。別の実施形態では、永久磁石粉末組成物をコールドスプレーする方法は、例えばロボット及びロボットプログラミングを使用して完全に自動化されてもよい。このような実施形態では、ロボットの通過速度及びステップは、製造されているＰＭの形状に依存してもよい。当業者により理解されるように、設定温度、圧力、スプレー距離などは、磁性粉末組成物に依存する。

【0052】

[0071]一実施形態において、永久磁石粉末組成物は硬磁性粉末と結合剤とを含む。別の実施形態では、硬磁性粉末はＮｄＦｅＢを含んでもよい。別の実施形態では、結合剤は、上述のように、より高い配置効率、良好な熱伝導率、及び腐食／酸化保護を実現するために金属Ｍであることができる。別の実施形態では、結合剤又は金属Ｍは、例えばアルミニウム粉末といったアルミニウムベースの合金であってもよい。

【0053】

[0072]一実施形態において、永久磁石粉末（原料）組成物は、最小で約３４ｖｏｌ％の硬磁性粉末を含んでもよい。別の実施形態では、永久磁石粉末組成物は、約３４ｖｏｌ％の硬磁性粉末、又は約５１ｖｏｌ％の硬磁性粉末、又は最大で約９９ｖｏｌ％の硬磁性粉末を含んでもよい。別の実施形態では、永久磁石粉末組成物は、最大で約１ｖｏｌ％の結合剤、又は、最大で約２５ｖｏｌ％の結合剤、又は、最大で約４９ｖｏｌ％の結合剤、又は、最大で約６６ｖｏｌ％の結合剤を含んでもよい。更なる一実施形態において、永久磁石粉末組成物はＭ－ＮｄＦｅＢ複合体のＰＭを形成してもよい。

【0054】

[0073]一実施形態において、スプレー工程中、酸化及び磁気的な性質の劣化を抑制するために、磁性粉末の温度上昇を最小化するために注意が払われる。別の実施形態では、スプレー工程は、低コーティング有孔率及び良好な堆積効率を維持することを目的として実行される。

【0055】

[0074]一実施形態において、市販のＮｄＦｅＢベースの粉末が使用されてもよい。別の実施形態では、例えば純アルミニウム粉末といった市販の結合剤が使用されてもよい。アルミニウム粉末の粉末サイズ分布は様々であってもよい。適切なＮｄＦｅＢ磁性粉末は、Ｍａｇｎｅｑｕｅｎｃｈ ＭＱＰ－Ｓ－１１－９、ＭＱＦＰ－Ｂ、ＭＱＦＰ－１４－１２、ＭＱＰ－ＡＡ４－１５－１２、ＭＱＡ－３８－１４、及びＭＱＡ－３６－１８を包含するがこれらに限定されない。
ＰＣＭが堆積させられる空洞を備えるＰＭ

【0056】

[0075]例えばコールドスプレー積層造形を使用して、空洞を備えるＰＭを製造する方法が本明細書において説明されている。ＰＣＭを含有した空洞を含むＰＭを備えるＰＭデバイス（例えばＰＭモーター）が更に説明されている。幾つかの例では、ＰＭはＰＣＭが堆積させられる空洞を規定している。

【0057】

[0076]ＰＭ（例えばＮｄＦｅＢ）は従来、例えば圧密及び焼結といった技術を使用して製造される。その後に、ＰＭが公差を満たすように機械加工され、必要に応じて部品（例えば、電動モーター固定子であり、回転子であることがより好ましい）に設置される、及び取り付けられる。このような方法は、磁石の実現可能な構成を制限する。例えばコールドスプレーといった積層造形工程の使用は、コスト及び／又は製造時間の増加がほとんどないか、全くない状態で、複雑な形状をもつ磁石の３Ｄ構築を可能にする。このような更なる柔軟性は、本手法によらなければ製造することが技術的に困難な、又は不可能な、又は単に法外なコストのかかる形状の実現を可能にする。

【0058】

[0077]（より一般的には温度管理として知られた）ＴＲＬは、例えば電動モーターといった例えば電気機械においてよく知られた問題である。運動をもたらすために電流が必要であるが、望ましくない渦電流が金属部品に流れ得る。これらの両方が発熱に寄与する。このような電気機械において使用されるとき、希土類元素のＰＭのパフォーマンスは、１００℃より高い温度で動作するとき急速に低下し、及び磁石の減磁及び機械の故障を最終的にもたらし得る。この効果を最小化するために、全体的なパフォーマンスを犠牲にして磁石の高温特性を安定させるために、重希土類元素（例えばジスプロシウム）が磁石組成物に追加される。

【0059】

[0078]本明細書において説明されているように、ＰＣＭが挿入される空洞を備えるＰＭを製造するために積層造形が使用され、空洞の形状（例えば形状、サイズなど）は磁石の形状及びその意図される用途に依存する。コールドスプレー、又は別の製造技術、例えばレーザー焼結、レーザークラッディング、ダイレクトライト、押し出し、結合剤噴射、熱溶融積層法などが、磁石の３Ｄ形状を構築するために使用されてもよい。例えば以下の方法のうちの任意の１つ又は組み合わせにより空洞が形成される。

【0060】

[0079]（Ｉ）積層造形技術を使用して空洞を直接形成することを含む空洞の直接形成。コールドスプレーに関連して、直接形成は、磁石内に規定された空洞のための所望の構造を実現するために様々な堆積角度を使用した材料の構築を含む適切なツール経路の使用を必要とする。ＰＭの外面に、又はＰＭの外面付近に、又はＰＭと回転子との間の界面に直接形成された空洞が特に好ましく形成される。

【0061】

[0080]（ＩＩ）磁石内へのカスタム形状の管経路部の設置を含む、空洞を形成するためのカスタム管の埋め込み。管は正しい形状に連結され、及び形作られ、予め製造されているがまだ不完全な３Ｄ磁性構造物に設置される。構造物は管内への直接的なＰＣＭの追加により完成となる。管は損失又は磁束の方向転換を回避するために電界及び磁場に実質的に応答しないで堆積させられているＰＭと連携するようにＰＭを含むか、又は、ＰＭのパフォーマンスに対する影響を最小化すために積層造形後に取り外し可能であることが好ましい。

【0062】

[0081]（ＩＩＩ）空洞を形成するための犠牲材料の使用。カスタム管の設置と同様に、犠牲材料は正しい形状に形作られるが、磁石の製造後に除去される。犠牲材料は、例えばコールドスプレーといった積層造形を含む異なる技術により付加されてもよい。犠牲材料は融解されることにより除去され、その後に重力又は印加された圧力の影響のもとで除去されてもよい。ここで出願人は参照により、犠牲材料を使用した部品のＡＭのための特定の工程を教示する出願人の米国特許第１１，３１３，０４１号の教示を組み込むが、出願人は犠牲材料をこれらの軟質金属に限定することは望まない。出願人は、積層造形中にＰＭに一体的な塩から形成されたボディを埋設すること、及び製造後に塩を溶解することは当業者の能力の範囲に十分に入ると考える。

【0063】

[0082]（ＩＶ）十分高いＵＴＳをもつＰＭを形成し、ＰＭの表面を通してＰＭ内に空洞を機械加工する。

【0064】

[0083]空洞を備えるＰＭが基材に構築されることが有益である。このような基材は犠牲的であっても、犠牲的でなくてもよい。概して、任意の金属基材が、空洞を備えるＰＭを製造することにおける使用に適するが、セラミックス又はポリマー基材が使用されてもよい。最も一般的に使用されるものの中でも、鉄ベースの、及びアルミニウムベースの基材が挙げられる。（ｉ）アルミニウムベースの基材がその高熱伝導率に起因して排熱を増やすので、及び、（ｉｉ）アルミニウムベースの基材は良好な機械的性質のために良好な変形を実現し得るので、及び、（ｉｉｉ）アルミニウムベースの基材は比較的安価であるので、及び、（ｉｖ）アルミニウムベースの基材は酸化耐性があるので、及び、（ｖ）アルミニウムベースの基材は軽量であるので任意の最終組立体の重量を減らすことに寄与するので、例えばアルミニウムベースの基材が空洞を備えるＰＭの製造に使用されてもよい。鉄ベースの基材は磁束経路に対して良好な磁気飽和を実現するので、及び安価であるので、例えば軟磁性複合体又は積層構造物といった鉄ベースの基材も空洞を備えるＰＭの製造に使用されてもよい。銅ベースの基材は熱伝導率が良いので、他の例では、空洞を備えるＰＭの製造に銅ベースの基材が使用されてもよい。

【0065】

[0084]幾つかの例では、組み込まれたＰＣＭを含むＰＭは、例えば回転子、固定子などのモーター部品の一部を形成してもよい。一例において、組み込まれたＰＣＭを含むＰＭはモーター部品の表面に結合されてもよく、ＰＣＭは少なくとも磁石の内部温度制御を実現する。代替的に、組み込まれたＰＣＭを含むＰＭは、モーター部品の表面に結合されてもよい。組み込まれたＰＣＭを含むＰＭは、モーターの回転子部品に結合されることが有益である。

【0066】

[0085]組み込まれたＰＣＭを含むＰＭは、少なくとも以下の理由により高い温度管理能力を実現し得る。

【0067】

[0086]（Ｉ）ＰＣＭが温度制御を必要とする構造物（すなわち磁石）内部に直接配置され得ることによる高い熱伝達。生成された密な接触は、直接的な伝導による排熱に有利に働き、したがって、実効伝熱係数を大きくする。

【0068】

[0087]（ＩＩ）ＰＣＭは磁石の形状に適合した形状及び所望の温度プロファイルをもつように設計され得るという理由による、より良好な温度均一性及び制御。それは、従来の温度制御技法を使用して制御することが困難である磁石領域の温度を制御するために使用され得る。それは、より良好な温度均一性を実現して、ひいてはホットスポット劣化から保護する手法により形状を構成するために更に使用され得る。

【0069】

[0088]（ＩＩＩ）コールドスプレー積層造形を使用して製造されたＰＭが、機械的性質を改善しながら実効複合体熱伝導率を改善する金属結合剤（すなわち金属Ｍ）を含むという理由による、高い熱伝導率及び機械的性質。

【0070】

（実施例）
モーター構成
[0089]例示を目的として、高密度固定子巻線を含むラジアルフラックスモーターが分析のために選択されたが、当業者はアキシャルフラックスモーター及び発電機への適用を容易に考える。歯に巻き付けられた高密度巻線は、高い銅充填因子及び短い端部巻線を達成し得（１７が図３ａのみで視認可能である）、高出力及びトルク密度をもたらす。また一方では、その高い電機子高調波は回転子損失を高める傾向を示し、動作時に迅速な磁石温度上昇をもたらす。したがって、それは本発明に対する適切な候補である。

【0071】

[0090]図１ａ、図１ｂはそれぞれ、本発明の一実施形態による電動の乗り物のためのラジアルＰＭモーターの半分の２Ｄモデル及び３Ｄモデルを示す。図１ｂは、シミュレーションのために使用される３Ｄモデルである。ＰＭモーターは２つの主な部品、すなわち、１２個のコイル固定子１０及び１０極回転子２０を備える。示されている半分の固定子１０は、それぞれの場生成コイル１４を支持するための６つの磁気固定子コア１２（そのうちの２つのみが引き出し線により特定されている）を含む。コイル１４がコア１２を覆っているので、コア１２は図１ｂでは十分に見えず、コア１２をより明確に示すためにコイル１４は図１ａに示されていない。固定子コア１２は、コイル１４により生成された磁束を案内する。回転子２０は、回転子２０に搭載された５つのＰＭ２５を含む。本発明によると、ＰＭ２５のうちの少なくとも１つ、及び典型的にはＰＭ２５の全てが、組み込まれたＰＣＭを備える。この構成がシミュレーションのために、及び本発明を示すために使用されたが、他の電気機械設計も同様に使用され得る。
トルク速度曲線及びモーター損失分布のシミュレーション

【0072】

[0091]図１のモーターはモータートルク速度曲線特徴を抽出するために有限要素解析（ＦＥＡ）を使用してモデル化された。Ａ－上り坂運転（高トルク、低速）、Ｂ－高速道路定常状態（低トルク高速）、及びＣ－高速道路での加速（中程度のトルク、高速）という、３つの異なるモーター動作点に対応した３つの典型的な駆動シナリオが図２ａにおいて特定されている。対応するモーター損失がシミュレーションされており、図２ｂに示されている。総モーター損失が動作点Ａにおいて高く、Ｃにおいて中程度に高いことが見られ得る。全てのモーター損失がモーターの温度上昇に寄与する。特に、回転子及び磁石におけるモーター損失が磁石の温度上昇に直接寄与し、巻線１４における銅損はＰＭから若干離れており、典型的には局所的に冷却される。したがって、磁石損失の各々が最も大きいが、累積された鉄損以下であることが観測される。

【0073】

[0092]図３（すなわち、図３ａは、モデル化のために使用される３Ｄによるモーター構造物の半分を示し、図３ｂ、図３ｃは、モーター構造物の半分の上面及び側面図を示す）は、完全なモーター構造物の部材を示す。図３ａは、この電気機械を調べるために使用される熱ＦＥＡモデルにおいて使用される境界条件を示すためにラベル付けされている。特に図３ａは、図１ａ、図１ｂのモーターのシミュレーションのためのモデルを示し、温度感度の領域の識別子と重ね合わされている。

【0074】

[0093]モデルは前述のように回転子２０と固定子１０とを含み、固定子は、固定子１０を冷却するために埋設された冷却剤経路部２１を含む筐体１５に収容されている。回転子は、ベアリング１９により筐体１５に結合された車軸又はシャフト２２に締まりばめされている。車軸２２及びコイル１４は、画像の見えにくさを防ぐために（示されているように）上面で切断されている。磁石を収容するために回転子にポケットが機械加工されている。従来のように、ポケットはＰＭに対して大きくされている。それらは、典型的には挿入後にＰＭの周囲に延びたその２つの端部２６を使用して保持するように設計されている。モデリングは、ＰＣＭがここに挿入され得ることを仮定する。

【0075】

[0094]熱ＦＥＡモデリングに対して、筐体１５はアルミニウムの特徴をもつと仮定され、コイル１４は銅と同等であり（損失仮定２７ａ）、固定子（２７ｂ）及び回転子（２７ｃ）コア損失がモデル化され、断熱隔壁１６（幾つかの位置しか示されていない）が、銅コイル（損失仮定２７ｅ）及び（ＰＣＭが埋設された、及び埋設されていない）永久磁石（２７ｄ）のものを囲むようにモデル化されている。更に、空気（２７ｆ）に対する筐体の対流冷却、及び冷却剤（２７ｇ）に対する筐体の対流冷却がモデル化された。筐体と固定子積層（２７ｈ）との間の接触熱抵抗は０．０３７ｍｍのギャップをもつと仮定された。磁石は０．１ｍｍの界面ギャップ（２７ｉ）をもつと仮定されており、シャフトはそれが回転子２２に連結する所に０．０３７ｍｍの界面ギャップ（２７ｊ）をもつと仮定された。最後に、シャフト対ベアリング及びベアリング対筐体は、０．３ｍｍの界面ギャップ（損失仮定２７ｋ）に関連した。

【0076】

磁石温度シミュレーション
[0095]組み込まれたエリトリトールＰＣＭが回転子ポケット端部２６を充填している、及び充填していない状態で、磁石温度分布がシミュレーションされた。伝熱係数に対する仮定及びモーターにおける空隙測定結果が図３ａに示されている。モーター構成が図１ａ及び図１ｂ並びに図３ａ～図３ｃに示されている。エリトリトールＰＣＭが幾つかのシミュレーションに対して磁石の端部に位置するポケット端部２６においてシミュレーションされた（拡大のために図９ａを参照されたい）。

【0077】

[0096]図５ａ及び図５ｂは、上り坂運転及び高速道路での加速中の平均磁石側部温度を示すプロットである。過渡時間は、磁石温度が所与の固定の動作状態のもとで特定の値に到達するために必要な時間として規定される。例示のために、１５０℃の温度に対するデータが、下記の表１及び表２に示されている。ＰＣＭは上り坂運転状態に対して最大８１％、及び高速道路での加速状態に対して最大８３％、過渡時間を長くするので、ＰＣＭの効果が非常に大きいことに留意されたい。

【表2】

【表3】

【0078】

[0097]図６は、上り坂運転の１５秒後に、周辺のポケットにおけるＰＣＭがＰＭの温度を大幅に下げることを示している。
ＰＣＭ温度シミュレーション

【0079】

[0098]図７は、モーターがより軽い需要状態のもとで１時間にわたって使用された後、短期間（６０ｓ）にわたって電動モーターの高いピーク出力（５０ｋＷ）が要望される駆動シナリオに対するシミュレーション結果を示す。その後、モーターは、このシナリオに従って軽い負荷に戻された。図７は、時間の関数としての磁石側部温度のグラフである。図７ａは、１分のピーク需要の近傍におけるグラフの拡大図を示す。ＰＣＭは２２℃に届きそうな程の最大温度の低下を可能にし、これは磁石に対する大幅な保護となる。それは、例えば、より低いグレードの磁石を使用してモーターの総コストを下げる設計を可能にし得る。

【0080】

[0100]図８ａ及びその拡大図の図８ｂは、図７における駆動シナリオ中に観測される最大及び平均ＰＣＭ温度を示している。平均温度と最大温度との間のずれは、磁石側部におけるＰＣＭ濃度に起因した磁石温度分布の非一様さを示す。図８ｃはその融解温度の１１８℃を上回った有効なＰＣＭ材料のパーセンテージを示す。結果は、ＰＣＭ体積の１０．５％のみがＴＲＬに寄与していることを示す。ＰＣＭ体積の大部分はこの構成では利用されていない。図８ｃは、ピーク温度に到達した８０秒後にＰＣＭが再度固化することを更に示し、ＰＣＭを別の過渡動作に対して準備完了状態にする。
磁石セグメント分け

【0081】

[0101]磁石をより良く保護するために、及びＰＣＭを十分に使用するために、ＰＭの３つのセグメント分け設計がシミュレーションされた。図９ａ～図９ｃの各々が回転子２０の（半分）を示しており、５つのＰＭ２５が回転子２０に搭載されており、２つのポケット２６がそれぞれのＰＭの各々の側面にある。図９ａは、ＰＣＭが側面にあるポケット２６に制限される、いわゆる１磁石セグメント分けを示す。図９ｂは、概念的にはＰＣＭにより充填され得る更なる２つのギャップ２９を形成する３磁石セグメント分け設計を示す。図９ｃは、６磁石セグメント分けを示し、したがって、１０個のポケット２６とともに５×５＝２５個のギャップ２９を形成する。

【0082】

[0102]図９ａ、図９ｂ、及び図９ｃにおける３つの回転子設計が、モーターパフォーマンスを評価するために電磁ＦＥＡを使用してシミュレーションされた。次に、完全なモーター構造物の熱ＦＥＡ分析が、シミュレーションによるエリトリトールＰＣＭが回転子ギャップを充填した状態で実施される。

【0083】

[0103]公平な比較のために、以下の設計制約が図９ａ～図９ｃにおける３つの回転子設計に対して適用された。
磁石面積＝１８９．５ｍｍ^２
ＰＣＭ面積＝７５．５ｍｍ^２（±２％）
２０Ａ／ｍｍ^２の電流密度における出力トルク＝１８６Ｎｍ（±３％）

【0084】

[0104]３つの設計の全てが、ＰＣＭの有効性を評価するために一様な分布で同じ損失密度をもつと仮定された。

【0085】

磁石セグメント分け－熱分析
[0105]図１０ａは、図９ａ～図９ｃのセグメント分け設計の熱過渡分析を示す。図１０ｂは、ＰＣＭが存在するときの、又は磁石間のギャップが空気により充填されており、すなわちＰＣＭが存在しないときの、図９ａ～図９ｃのセグメント分け設計に対する１５０℃に達するまでの過渡時間の間の差を示す。ＰＣＭと磁石との間のより広い界面面積がＰＣＭの相変化期間中、磁石において生成された熱の吸収を大きくするので、ＰＣＭがより多くの磁石セグメントとともに使用されたとき、ＰＣＭが過渡期間を延ばすことにおいてより効果的になることが図１０ａ及び図１０ｂから確認され得る。図１１は、図１０ａの９０秒データ点におけるＰＣＭを含まない磁石及び図９ａ～図９ｃの３つのセグメント分け設計の温度分布を示す。１～３と比較したとき３～６までは得られる効果が小さくなるが、より多くのＰＣＭセグメントが存在するほど、９０秒において磁石がより冷たくなる。ＰＣＭの融点に到達する前は全ての曲線が同様であることに留意されたい。

【0086】

組み込まれた空洞
[0106]図９ｂ、図９ｃのいずれかに示されるように回転子を保持すること、及び組立てることは困難である場合があるが、ＴＲＬの観点から明らかに望ましい。図１２は、組み込まれたＰＣＭを含むＰＭの別の構成を示すパネルである。組み込まれたＰＣＭは、ＰＭを通して少なくとも途中まで延びた空洞又は窪み３０を使用して形成され、したがって、広い表面積がＰＣＭとＰＭとの間の接触をもたらす。幾つかの形成手段は、この界面に残存するレイヤー又はコーティングを常に生成することがあるが、その熱抵抗は小さいので、接触の直接さ、及びＰＣＭの体積に対する接触の面積は、ＰＣＭ ＴＲＬ効果をより良く利用するために有用である。

【0087】

[0107]図１２の上部は、側面図（左側）に図９ｃのセグメント分けされたＰＭを示し、及び、ＰＭ、及び、ポケット内の、及びギャップ２９内のＰＣＭの熱モデルが示されている。この設計を使用してＴＲＬがどれほど効果的かを示すために温度スケールが示されている。ＰＣＭの上部における暗い帯は比較的非常に低温（～１０５℃）である。

【0088】

[0108]パネル１２の右側において、上部は、長尺の菱形の貫通孔又は空洞３０をもつＰＭに対する設計を示す。熱モデリングは、温度がそのモデルにおいてより一様であるという点で、左側のセグメント分けされたモデルに比べて、動作状態に対するこのＰＭのより良く適したＴＲＬを示す。熱モデルから、表面に見えているピーク温度が、セグメント分けされたＰＭに組み込まれた空洞を含むＰＭとの両方に対して１３２℃より十分に低いことが確認され得る。熱分布（中央）及び熱流束（底部）におけるモデルは斜視図に示されている。熱流束分布は、組み込まれた空洞を含むＰＭとは対照的に、セグメント分けされたＰＭにおけるＰＣＭの縁部における冷却速度の大幅な違いを示している。

【0089】

[0109]図１３は、これらの２つのＰＭに対する平均温度のグラフである。両方の構成に対する温度上昇は、所与のシナリオにおいて同等である。しかし、組み込まれた空洞を含む構成は非常に大きい実用的利点をもつ。実際、その構成を使用して、ＰＣＭ材料を囲み得、したがって、ＰＣＭ材料の溶融した、又は部分的に溶融したまとまりを伴って、遠心分離状態で動作中の漏れを防止する。

【表4】

【0090】

[0110]図１４は、異なる構成の空洞３０を含むＰＭ２５の変形例の側面図である。５つの空洞３０が示されている、３つが視野内の面から延びており、及び２つが破線で示されている。図１４ａは、視認線ＡＡに沿って取得された断面図を示す。空洞３０は長尺で同様であり、ＰＭ２５の反対を向いた２つの側面のうちの１つから各々が平行に延びている。空洞３０がそれぞれの側面に到達する付近の各空洞３０の端部において、空洞３０のうちの１つに搭載されていることが示されているキャップ３２のピンねじ山に係合するようにボックスねじ山３３がタッピング形成されている。

【0091】

[0111]図１４に示されている表面に到達している３つの空洞３０は、ＰＭ内にＰＣＭをより良く分散させるために、及び空洞３０間の距離を短くするために、反対側の面に到達している２つの空洞より低い。この設計は、上述のように列記されたＩ－ＩＶの方法のうちの任意のものを使用して製造され得る。

【0092】

[0112]図１５ａ、図１５ｂは本発明によるＰＭ２５の第２の変形例の断面図及び側面図を示す。この実施形態も５つの空洞を示しており、空洞のうちの２つは他の３つのものよりも小さい。空洞は錐台であり、丸みを帯びた遠位面をもつ。十分なＵＴＳをもつＰＭに機械加工され得る種々の形状が存在する。この設計は、図１５ｂに示されている面に加熱が蓄積される場合に、図１５ｂに示されている面（第１の面）を冷やすことに適したものであってもよい。ＰＭのより狭い部分にあるより小さい穴と、より厚い部分にあるより大きい穴とを設けることが、ＰＭ内の応力集中を避けるために理論にかなっている。第２の変形例に示されている空洞３０の軸線は平行ではないが、軸線は同一平面上にあってもよい。各軸線は局所的に第１の面に実質的に直交しており、この面は少なくとも１つの方向に湾曲している。この設計も、上述のように列記されたＩ－ＩＶの方法のうちの任意のものを使用して製造され得る。

【0093】

[0113]図１６は、本発明によるＰＭ２５の第３の変形例の断面図を示す。第３の変形例ＰＭ２５の（示されている）上面に実質的に沿うように延びた表面下に延びた空洞を含む。第３の変形例は不連続な形状をもつ２つの対称に対置された空洞を更に含み、形状は実質的に、錐形の先端を含む円筒穴からなる。犠牲材料又は管が設計において使用される場合、この設計は積層造形により製造され得る。

【0094】

[0114]図１７は、本発明によるＰＭ２５の第４の変形例の断面図を示す。第４の変形例の空洞は両側の側縁部に沿った２つの長尺溝、及び、ＰＭ２５の中心に向かって侵入した狭いファンスリット構造物である。各ファンスリット構造物はそのそれぞれの溝に接続されており、したがって、厳密には２つの空洞のみが存在する。この構造物をカバーすることは、前述の変形例の場合ほど単純なことではない。
プロトタイプ

【0095】

[0115]出願人は本発明によるＰＭの例を作成した。ＰＭは、Ａｌ ６０６１のクーポン３６．７×２８．８×１４．５ｍｍ上に堆積させられた。ＮｄＦｅＢ磁石サンプルが、Ｍａｇｎｅｑｕｅｎｃｈ製のＭＱＦＰ－Ｂ ＮｄＦｅＢ粉末及び、Ｖａｌｉｍｅｔ製のＨ５アルミニウム粉末を使用してコールドスプレー積層造形により準備された。サンプルは６００℃の温度及び４．９ＭＰａのガス圧を使用して処理された。磁石製造工程及びそれらの磁気的な性質に関する更なる詳細は、Ｌａｍａｒｒｅ、Ｊ．－Ｍ．、Ｂｅｒｎｉｅｒ、Ｆ．、Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔｓ Ｐｒｏｄｕｃｅｄ ｂｙ Ｃｏｌｄ Ｓｐｒａｙ Ａｄｄｉｔｉｖｅ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｆｏｒ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｓ、（２０１９）、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｓｐｒａｙ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、２８（７）、ｐｐ．１７０９－１７１７において見ることができ、その内容は参照により本明細書に組み込まれる。

【0096】

[0116]サンプル表面が最終寸法まで機械加工されるとともに、エリトリトールと熱電対とを挿入するための穴が実演目的で従来の機械加工を使用して穿孔された。３つの主空洞が全部で２．３２ｇの液体エリトリトールにより完全に充填された。

【0097】

[0117]ＰＭ材料のサービス状態を検査するために検査リグが使用された。３ｋＷのＣＯ_２レーザー（５０Ｗ、１６３パルス持続期間、直径２５ｍｍのレーザースポット）により熱が供給され、温度測定結果が熱電対、光学高温計、及び温度カメラにより得られた。シミュレーションによる熱分布とシミュレーションにより予測されたものとの間の優れた一致が、上述のように得られたシミュレーションによる結果に非常に高い信頼性をもたらす。ＰＭＣもスロットも含まないＰＭが１８０℃まで加熱された条件下で、ＰＭＣを含むＰＭは、１６０℃未満であることが確認された。

【0098】

[0118]したがって、ＰＭ及び製造方法が開示されている。実行可能な製造手段、及びＰＭの温度調節の十分に裏付けられた改善を実現するために、ＰＣＭを保持するための空洞を形成するためのＰＭにおける穴の形成が例示されている。ＰＭは回転子基材に直接的にＡＭにより生成され得ることが有益であり、ＣＳＡＭにより生成され得ることが好ましく有益であるが、種々の設計を、電気機械の回転子における配備により適したものにする他の手段により、同じ強度のＰＭが製造され得る。

【図1a】

【図1b】

【図2a】

【図2b】

【図3a】

【図3b】

【図3c】

【図4a】

【図4b】

【図5a】

【図5b】

【図6】

【図7】

【図7a】

【図8a】

【図8b】

【図8c】

【図9a】

【図9b】

【図9c】

【図10a】

【図10b】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図14a】

【図15a】

【図15b】

【図16】

【図17】

【図18a】

【図18b】

【国際調査報告】