CN101055786B - 各向异性铁氧体磁铁及电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种能够减小齿槽转矩和转矩波动的采用干式成型的各向异性铁氧体磁铁。该各向异性铁氧体磁铁具有内周面及与内周面相对的外周面，截面为圆弧状，而且，在其径向上具有磁性的各向异性并由干式成型形成，其特征在于，在以内周面或外周面的周向的测定区域长度为横轴、以表面磁通密度Bd为纵轴的Bd分布曲线中，在设上述内周面中的上述Bd的最大值、最小值分别为Bdi(max)、Bdi(min)、设上述外周面中的上述Bd的最大值、最小值分别为Bdo(max)、Bdo(min)时，满足Ro＝Bdo(min)/Bdo(max)≥0.5，而且，Ri/Ro＝{Bdi(min)/Bdi(max)}/{Bdo(min)/Bdo(max)}＜1.0的条件。

Description

各向异性铁氧体磁铁及电机

技术领域

本发明涉及利用干式成型法制造、呈圆弧状并在径向上具有各向异性的铁氧体磁铁及使用该铁氧体磁铁的电机。

背景技术

对用于家电产品和汽车的电安装产品等的电机，要求高性能且小型、重量轻。这样的电机是直流电机，作为磁铁使用圆弧状的各向异性铁氧体磁铁。这些电机用磁铁被各向异性化成径向为易磁化轴。对这些磁铁，要求内周面侧的表面磁通密度Bd大、而且内周面侧的表面磁通密度Bd的分布在周向上均匀。若在内周面的周向上表面磁通密度Bd的变动大，则齿槽转矩、转矩波动增大，得不到良好的电机特性。这里，所谓齿槽转矩是指基于电机的定子和转子之间产生的磁性吸引力的、转矩相对于旋转角的变化。并且，所谓转矩波动是指转矩的变动幅度。

圆弧状的各向异性铁氧体磁铁，利用干式成型或湿式成型来制造。湿式成型的取向性良好，但制造成本较高。另一方面，干式成型在圆弧状的各向异性铁氧体磁铁的两端部取向容易混乱，难以获得良好的电机特性。

针对这种干式成型存在的问题，专利文献1提出了在制造圆弧状且在径向上具有各向异性的铁氧体磁铁时，防止磁铁两端部的取向混乱的方法。也就是说，专利文献1通过使用设有取向用强磁性体的干式成型装置，得到各向异性方向在径向上整齐的成型体。因此，得到内周面侧的表面磁通密度Bd大且其分布均匀的圆弧状的各向异性铁氧体磁铁。所以，专利文献1的采用各向异性铁氧体磁铁的电机，具有强力且齿槽转矩小的特点。并且，过去，由于在磁铁两端部的取向混乱的原因，所以烧结时在内周面的两端部附近经常产生裂纹。但在专利文献1中，由于磁铁两端部的取向混乱显著减少，所以这种裂纹大大减少。

专利文献1：(日本)专利第2777693号公报

若根据专利文献1，则能够提供可以提高电机特性的各向异性铁氧体磁铁，但是提高特性的要求继续。

发明内容

因此，本发明是针对这样的技术问题而做出的，其目的是提供一种实现进一步减小齿槽转矩和转矩波动的各向异性铁氧体磁铁。并且，本发明的目的是提供采用这种各向异性铁氧体磁铁的电机。

专利文献1着眼于具有圆弧状、在径向上具有各向异性的铁氧体磁铁的内周面的表面磁通密度Bd分布。然而，在实际组装成电机的情况下，磁铁与外壳或者相邻的磁铁等形成磁回路，所以可知具有各向异性的铁氧体磁铁的外周面的表面磁通密度Bd分布也对电机特性产生影响。也就是说，使外周面的表面磁通密度Bd分布均匀，并且使其均匀的程度比在内周面的表面磁通密度Bd分布高，这样，能够减小齿槽转矩和转矩波动。也就是说，本发明的各向异性铁氧体磁铁具有内周面及与内周面相对的外周面，截面为圆弧状，而且在其径向上具有磁性的各向异性并由干式成型制造，其特征在于，在以内周面或外周面的周向的测定区域长度为横轴、以表面磁通密度Bd为纵轴的Bd分布曲线中，

在设内周面中的Bd的最大值、最小值分别为Bdi(max)、Bdi(min)、

设外周面中的Bd的最大值、最小值分别为Bdo(max)、Bdo(min)时，满足

Ro＝Bdo(min)/Bdo(max)≥0.5，而且，

0.5≤Ri/Ro＝{Bdi(min)/Bdi(max)}/{Bdo(min)/Bdo(max)}＜1.0的条件。

并且，在本发明的各向异性铁氧体磁铁中，最好是满足Ri/Ro＝{Bdi(min)/Bdi(max)}/{Bdo(min)/Bdo(max)}≤0.9的条件，进而满足Ri/Ro＝{Bdi(min)/Bdi(max)}/{ Bdo(min)/Bdo(max)}≤0.8的条件。

并且，在本发明的各向异性铁氧体磁铁中，在设内周面的Bd分布曲线和横轴所包围的面积为Ai，外周面的Bd分布曲线和横轴所包围的面积为Ao时，最好是满足Ai/Ao＝0.95～1.9的条件。

再者，在本发明的各向异性铁氧体磁铁中，最好是满足Ri＝Bdi(min)/Bdi(max)≥0.4的条件。

采用本发明的各向异性铁氧体磁铁的电机，具有定子、相对于定子可旋转的转子、以及固定在定子上的各向异性铁氧体磁铁，各向异性铁氧体磁铁具有内周面及与内周面相对的外周面，截面为圆弧状，而且在其径向上具有磁性的各向异性并由干式成型制造，其特征在于，在以内周面或外周面的周向的测定区域长度为横轴、以表面磁通密度Bd为纵轴的Bd分布曲线中，

在设内周面中的Bd的最大值、最小值分别为Bdi(max)、Bdi(min)、

设外周面中的Bd的最大值、最小值分别为Bdo(max)、Bdo(min)时，满足

Ro＝Bdo(min)/Bdo(max)≥0.5，而且，

0.5≤Ri/Ro＝{Bdi(min)/Bdi(max)}/{Bdo(min)/Bdo(max)}＜1.0的条件。

发明的效果

若采用本发明，则能够提供可以减小齿槽转矩和转矩波动的各向异性铁氧体磁铁。通过采用本发明的各向异性铁氧体磁铁，可以得到特性优良的电机。

附图说明

图1是本发明的各向异性铁氧体磁铁的立体图。

图2是表示用于测定各向异性铁氧体磁铁的内周面和外周面的表面磁通密度Bd的充磁方法的图。

图3是表示各向异性铁氧体磁铁的内周面和外周面的表面磁通密度Bd的测定方法的图。

图4是表示各向异性铁氧体磁铁的内周面和外周面的表面磁通密度Bd分布曲线的曲线图。

图5是表示本发明所使用的磁场中成型装置的概略结构的截面图。

图6是表示采用实施例1的各向异性铁氧体磁铁的表面磁通密度Bd分布曲线的曲线图。

图7是表示采用实施例2的各向异性铁氧体磁铁的表面磁通密度Bd分布曲线的曲线图。

图8是表示采用比较例1的各向异性铁氧体磁铁的表面磁通密度Bd分布曲线的曲线图。

图9是表示采用比较例2的各向异性铁氧体磁铁的表面磁通密度Bd分布曲线的曲线图。

图10是表示采用比较例3的各向异性铁氧体磁铁的表面磁通密度Bd分布曲线的曲线图。

具体实施方式

如图1所示，采用本发明的各向异性铁氧体磁铁1的截面为圆弧状，在其径向上具有各向异性(用箭头表示)。该各向异性铁氧体磁铁1具有内周面2及外周面3，有时被称为各向异性扇形磁铁。该各向异性铁氧体磁铁1用干式成型法制造。该成型法后面说明。

本发明的磁铁，其特征在于外周面3的周向的表面磁通密度Bd分布(以下有时仅称为Bd或Bd分布)，并且，其特征还在于内周面2的周向的Bd分布和外周面3的周向的Bd分布的关系。

内周面2和外周面3的周向的Bd分布按图2和图3所示的顺序进行测定。首先，利用图2所示的内面充磁轭铁5用规定方法来对已组装在磁性外壳4的各向异性铁氧体磁铁1进行充磁。在测定Bd时，如图3所示，在充磁的各向异性铁氧体磁铁1的内周面2附近配置霍尔元件6。这时的霍尔元件6位于内周面2的高度方向(图3的上下方向)中央部，配置成与周面相接触或者尽量接近。并且，通过使各向异性铁氧体磁铁1在周向上旋转，可以测定从周面的周向的一端A到另一端B的Bd分布。而且，进行各向异性铁氧体磁铁1的旋转，使霍尔元件6和周面的距离不变。而且，图3表示对内周面2的测定，而对外周面3也按同样进行测定。

将如上那样测定的Bd分布，绘成以横轴为测定区域长度(从一端A到另一端B的霍尔元件6的轨迹)、以纵轴为Bd的Bd分布曲线，得到图4所示的Bd分布曲线。Bd分布曲线，可以得到内周面2的Bd分布曲线和外周面3的Bd分布曲线这2条Bd分布曲线。

在图4中，设内周面2的Bd的最大值、最小值分别为Bdi(max)、Bdi(min)；设外周面3的Bd的最大值、最小值分别为Bdo(max)、Bdo(min)。而且，内周面2和外周面3极性相反，但是Bdi(max)、Bdi(min)、Bdo(max)及Bdo(min)以其绝对值来确定。

以上，采用本发明的各向异性铁氧体磁铁1，满足Ro＝Bdo(min)/Bdo(max)≥0.5的条件。由该Ro＝Bdo(min)/Bdo(max)……(1)得到的值，表示外周面3的Bd的均匀性。也就是说，表示由该式(1)得到的值越大，外周面3上的Bd越均匀。采用本发明的各向异性铁氧体磁铁1，其Ro为0.5以上。Ro非常理想的是1.0。但不容易获得这样的值。若考虑具备其他采用本发明的条件，则Ro的上限约为0.75。

并且，采用本发明的各向异性铁氧体磁铁1，其特征在于，满足Ri/Ro＝{Bdi(min)/Bdi(max)}/{Bdo(min)/Bdo(max)}＜1.0的条件。Ri/Ro＝{Bdi(min)/Bdi(max)}/{Bdo(min)/Bdo(max)}……(2)是内周面2上的Bd的均匀性(Ri)和外周面3上的Bd的均匀性(Ro)之比。所以，在由式(2)得到的值小于1.0的情况下，表示外周面3的Bd比内周面2更均匀。从下述实施例也可以看出，过去专门考虑内周面2的Bd分布的均匀性，所以Ri/Ro为1.0以上。采用本发明的Ri/Ro，最好是0.9以下，更好是0.8以下。但是，Ri/Ro小也表示Ri本身小，所以，希望Ri/Ro是0.5以上，最好是0.6以上。

在本发明的各向异性铁氧体磁铁1中，当设内周面2的Bd分布曲线和横轴包围的面积为Ai，外周面3的Bd分布曲线和横轴所包围的面积为Ao时，Ai/Ao＝0.95～1.9，最好是Ai/Ao＝1.0～1.5。Ai/Ao过小的各向异性铁氧体磁铁1的内周面2侧的磁特性不足。另一方面，若要得到超过1.9的Ai/Ao，则必须在成型体的内周面2和外周面3显著增大密度差。因此，烧结时经常产生裂纹，有时不能成型。更好是Ai/Ao为1.0～1.3。

并且，在本发明中，希望在Bd分布曲线中内周面2上的Bd均匀，希望Ri＝Bdi(min)/Bdi(max)≥0.4。Ri和Ro一样极为理想的是1.0，但是不容易得到这样的值。若考虑具备其它本发明的条件，则Ri的上限为0.75左右。

对适用本发明的各向异性铁氧体磁铁1没有材质的限制。其中，最好是适用于由MO·6Fe₂O₃或MFe₁₂O₁₉(M＝Ba及Sr的1种或2种)的一般式表示的M型(氧化铅铁淦氧磁体型)铁氧体作为主相的各向异性铁氧体磁铁。对该M型铁氧体，可以用稀土类元素(La、Ce、Pr、Nd、Pm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu)来置换M的一部分。并且，可以用Co和Ni中的1种或2种来置换Fe的一部分。

为了获得本发明的各向异性铁氧体磁铁1，重要的是采用具有特征的磁场中成型装置。以下说明该干式磁场中成型装置20。

图5是表示干式磁场中成型装置20的主要部分截面图。干式磁场中成型装置20具有：冲模21、上部冲头22、下部冲头33、由冲模21和下部冲头23构成的腔24、以及线圈25。干式磁场中成型装置20在上部冲头22和下部冲头23的腔24侧具有硬质非磁性部22a、23a。

上部冲头22形成各向异性铁氧体磁铁1的外周面3。所以，上部冲头22的硬质非磁性部22a的成型面22s的形状呈凹状。并且，该上部冲头22由非磁性体构成。因此，上部冲头22包括硬质非磁性部22a，整体由非磁性体构成。

并且，下部冲头23形成各向异性铁氧体磁铁1的内周面2。所以，下部冲头23的硬质非磁性部23a的成型面23s的形状呈凸状。该下部冲头23除构成成型面的硬质非磁性部23a以外由磁性体构成。

通过由非磁性体构成上部冲头22，在由线圈25施加磁场时，从下部冲头23向腔24内施加放射状的磁场。也就是说，不会出现各向异性铁氧体磁铁1的取向集中在外周面3上，或者，局部取向方向的偏移等，而是在径向上均匀地形成各向异性。

构成上部冲头22的非磁性体的材质不特别限制，例如可以采用不锈钢、铜铍合金、高锰钢、青铜、黄铜、非磁性超级钢等，也可以组合2种以上的材质。

另一方面，构成下部冲头23的磁性体的材质不特别限制，可以是一般采用的材质，例如是碳钢、碳素工具钢、合金工具钢、模具钢等。

作为上部冲头22、下部冲头23的硬质非磁性部22a、23a，最好使用作为Co基硬质合金的钨铬钴合金，但如果是非磁性且耐磨损材料，那么哪一种均可，例如可以使用非磁性超级钢。

冲模21的材质是非磁性体即可，可以采用与上部冲头22相同的材质。并且，在构成腔24的冲模21的内壁面也可以设置非磁性超级钢、钨铬钴合金等耐磨损材料。

腔24是除了内嵌在沿冲模21的上下方向穿通的模孔21a的空间中的下部冲头23所占居的部分的空间。并且，成型的铁氧体粉末被充填在腔24中，上部冲头22进入腔24，这样与下部冲头23协同动作，对铁氧体粉末进行加压成型。

干式磁场中成型装置20在上部冲头22的上方安装了具有下表面27s的磁性体夹具27，该下表面27s是大致沿着上部冲头22的成形面22s的圆弧的形状。该下表面27s的曲率半径r1被设定成，在成型完成之前上部冲头22就位时，大于形成与上部冲头22的成型面22s的圆弧成为同心圆那样的形状时的曲率半径r2。也就是说，在成型完成之前上部冲头22就位时，上部冲头22的成型面22s的圆弧和磁性体夹具27的下表面27s的圆弧不形成同心圆，磁性体夹具27的下表面27s的圆弧中心比成型面22s的圆弧的中心位于靠下冲头侧。在由非磁性体构成的上部冲头22侧设置磁性体夹具27，从而提高用线圈25向腔24内施加的磁场强度。并且，将磁性体夹具27的下表面27s的形状做成大致沿着上部冲头22的成型面22s的结构，这样，容易进行径向的取向。该磁性体夹具27的下表面27s的面积大到不对得到的各向异性铁氧体磁铁1的端部取向造成偏差的程度即可。再者，干式磁场中成型装置20使曲率半径r1大于曲率半径r2，这样，与设r1＝r2时相比，使磁性体夹具27的宽度方向中心部的厚度增大。因此，能够使磁通某种程度地集中在各向异性铁氧体磁铁1的宽度方向中央部。这样一来，一般能够增大Bd减小的各向异性铁氧体磁铁1的外周面3的宽度方向中央部的Bd，提高各向异性铁氧体磁铁1的外周面3上的Bd分布的均匀性。并且，作为磁性体夹具27的材质可以是通常的磁性体，例如可以采用碳钢，碳素工具钢，合金工具钢和模具钢等。

以上的干式磁场中成型装置20的基本结构如专利文献2所述。但是，在专利文献2的图2所示的干式磁场中成型装置20中，下表面27s的曲率半径r1被设定成，在成型完成之前上部冲头22就位时，与上部冲头22的成型面22s的圆弧成为同心圆(曲率半径r2)(r1＝r2)。这一点，干式磁场中成型装置20不同于专利文献2的图2。

专利文献2

(日本)特开平10-270276号公报

(实施例)

利用图5所示的结构的干式磁场中成型装置20制作了成型体。该磁场中成型装置20具有以下规格。

上部冲头22的成型面22s的曲率半径：16.4mm

下部冲头23的成型面23s的曲率半径：11.1mm

腔24的宽度：26.93mm

腔24的长度(深度)：24.56mm

磁性体夹具27的下表面27s的曲率半径：实施例1＝73mm，实施例2＝71mm，比较例3＝66mm。

在该干式磁场中成型装置20的成型空间内，充填各向异性铁氧体磁铁的原料粉末，在磁场中进行加压成型，得到在径向上具有各向异性的圆弧状的成型体。而且，原料粉末的组成、成型压力、施加的磁场强度如下。

原料粉末组成：Sr_0.95La_0.05Co_0.03Fe_11.97O₁₉

成型压力(总压)：2.5ton

磁场强度：6kOe(480kA/m)

其次，将成型体烧结，做成圆弧状的各向异性铁氧体磁铁。得到的各向异性铁氧体磁铁的尺寸，是外周面的曲率半径为13.25mm、内周面的曲率半径为8.9mm，包括径向的截面上的宽度为22.6mm、长度为21.2mm。

为了进行比较，除了使用按以下的磁场中成型方法制成的成型体以外，制作了与上述相同的各向异性铁氧体磁铁。

比较例1：利用了从专利文献1的图4所示的磁场中成型装置除去了取向用磁性体61和62的方式的磁场中成型装置。

比较例2：采用了专利文献1的图4所示的方式的磁场中成型装置。

比较例3：采用了专利文献2的图2所示的方式的磁场中成型装置。

而且，在专利文献2的图2所示的干式磁场中成型装置20中，如上所述，下表面27s的曲率半径r1被设定成，在成型完成之前上部冲头22就位时，与上部冲头22的成型面22s的圆弧成为同心圆(曲率半径r2)(r1＝r2)、r1＝r2＝66mm。

对于以上取得的实施例1、2和比较例1～3的各向异性铁氧体磁铁，用上述方法测定了Bd。

在图6～图10中表示实施例1、2和比较例1～3的各向异性铁氧体磁铁的内周面和外周面的Bd分布曲线。并且，根据各Bd分布曲线求出了Bdi(max)、Bdi(min)、Bdo(max)、Bdo(min)、Ai、Ao。根据求出的各值求出了Ri、Ro、Ri/Ro及Ai/Ao。其结果示于表1。

并且，把取得的各向异性铁氧体磁铁组装在电机内，测定了齿槽转矩和转矩波动。该电机具有定子以及相对于定子可旋转的转子，具有将各向异性铁氧体磁铁固定在定子上的公知的结构。其结果示于表1。

再者，利用该电机，测定了通过外部驱动使转子旋转时的电动势Ec。其结果示于表1。Ec是电机特性的一个指标，该值越大，能够得到越大的功率。

表1

	Ri	Ro	Ri/Ro	Ai/Ao	齿槽转矩   (mN·m)	转矩波动   (mN·m)	Ec   (V)
								实施例1	0.40	0.55	0.73	1.17	8.5	10.73	3.247
实施例2	0.41	0.57	0.72	1.29	9.05	11.48	3.252
								比较例1	0.42	0.22	1.91	0.93	10.32	13.44	3.189
比较例2	0.77	0.46	1.80	1.67	10.75	14.78	3.288
								比较例3	0.72	0.22	3.29	1.55	10.76	15.08	3.284

如表1所示，若对实施例1、2的各向异性铁氧体磁铁和比较例1～3的各向异性铁氧体磁铁进行比较，则实施例1、2的各向异性铁氧体磁铁的Ro为0.5以上，与Ro小于0.5的比较例1～3的各向异性铁氧体磁铁相比，外周面的Bd分布更均匀。并且，实施例1、2的各向异性铁氧体磁铁的Ri/Ro小于1.0，与Ri/Ro为1.0以上的比较例1～3的各向异性铁氧体磁铁相比，外周面的Bd分布的均匀程度比内周面的Bd分布高。

并且，Ri/Ro越低，齿槽转矩和转矩波动越减小，利用Ri/Ro小于1.0的实施例1、2的各向异性铁氧体磁铁的电机，能够确保旋转和功率的均匀性。

再者，实施例1、2的齿槽转矩和转矩波动减小，并且，电动势Ec也相对于比较例1提高。这样，能够与齿槽转矩、转矩波动同时提高电动势Ec，表示本发明对于提高电机特性来说是极为有效的技术。

Claims (14)

1.一种各向异性铁氧体磁铁，具有内周面及与上述内周面相对的外周面，截面为圆弧状，而且，在其径向上具有磁性的各向异性，并由干式成型形成，其特征在于，

在以上述内周面或上述外周面的周向的测定区域长度为横轴，以表面磁通密度Bd为纵轴的Bd分布曲线中，

在设上述内周面中的上述Bd的最大值、最小值分别为Bdi(max)、Bdi(min)、

设上述外周面中的上述Bd的最大值、最小值分别为Bdo(max)、Bdo(min)时，

满足Ro≥0.5且0.5≤Ri/Ro＜1.0的条件，

其中，Ro＝Bdo(min)/Bdo(max)、

Ri＝Bdi(min)/Bdi(max)。

2.如权利要求1所述的各向异性铁氧体磁铁，其特征在于，满足Ri/Ro≤0.9的条件。

3.如权利要求1所述的各向异性铁氧体磁铁，其特征在于，满足Ri/Ro≤0.8的条件。

4.如权利要求1～3中的任一项所述的各向异性铁氧体磁铁，其特征在于，在设上述内周面的Bd分布曲线和横轴所包围的面积为Ai，上述外周面的Bd分布曲线和横轴包围的面积为Ao时，满足Ai/Ao＝0.95～1.9的条件。

5.如权利要求4所述的各向异性铁氧体磁铁，其特征在于，满足Ai/Ao＝1.0～1.5的条件。

6.如权利要求4所述的各向异性铁氧体磁铁，其特征在于，满足Ai/Ao＝1.0～1.3的条件。

7.如权利要求1～3中的任一项所述的各向异性铁氧体磁铁，其特征在于，满足Ro≤0.75的条件。

8.如权利要求1～3中的任一项所述的各向异性铁氧体磁铁，其特征在于，满足0.6≤Ri/Ro的条件。

9.如权利要求1～3中的任一项所述的各向异性铁氧体磁铁，其特征在于，满足Ri≥0.4的条件。

10.如权利要求9中所述的各向异性铁氧体磁铁，其特征在于，满足Ri≤0.75的条件。

11.如权利要求1所述的各向异性铁氧体磁铁，其特征在于，上述各向异性铁氧体磁铁以包含Sr、La、Co、Fe的氧化铅铁淦氧磁体型铁氧体为主相。

12.一种电机，其特征在于，具有定子、相对于上述定子可以旋转的转子、以及固定在上述定子上的各向异性铁氧体磁铁，

上述各向异性铁氧体磁铁具有内周面及与上述内周面相对的外周面，截面为圆弧状，而且，在其径向上具有磁性的各向异性，并由干式成型形成，其特征在于，

在以上述内周面或上述外周面的周向的测定区域长度为横轴、以表面磁通密度Bd为纵轴的Bd分布曲线中，

设上述内周面中的上述Bd的最大值、最小值分别为Bdi(max)、Bdi(min)、

设上述外周面中的上述Bd的最大值、最小值分别为Bdo(max)、Bdo(min)时，

满足Ro≥0.5且0.5≤Ri/Ro＜1.0的条件，

其中，Ro＝Bdo(min)/Bdo(max)、Ri＝Bdi(min)/Bdi(max)。

13.如权利要求12所述的电机，其特征在于，上述各向异性铁氧体磁铁满足Ro≤0.75、0.5≤Ri/Ro≤0.9的条件。

14.如权利要求13所述的电机，其特征在于，上述各向异性铁氧体磁铁满足0.4≤Ri的条件。

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