JP2004023085A

JP2004023085A - Method of orienting anisotropically bonded magnet for motor

Info

Publication number: JP2004023085A
Application number: JP2002180595A
Authority: JP
Inventors: Yoshinobu Motokura; 本蔵　義信; Hiroshi Matsuoka; 松岡　浩; Daisuke Nagaya; 長屋　大輔
Original assignee: Aichi Steel Corp
Current assignee: Aichi Steel Corp
Priority date: 2002-06-20
Filing date: 2002-06-20
Publication date: 2004-01-22

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To achieve a method of orienting an anisotropically bonded magnet which reduces the cogging torque, without reducing the output torque. <P>SOLUTION: A cylindrical nib 33 and soft magnetic material guides 31a and 31b are mounted inside the cavity of a mold 30, and nonmagnetic inserts 34a and 34b are disposed on a position where the guides are not disposed. A cavity 35 is formed on the inner wall of the nib 33 and a core 32 made of a soft magnetic material is provided therein. A material for bonded magnetic, mainly composed of magnetic powder and resin powder, is supplied into the cavity 35. In the main section of a magnetic pole period, oriented magnetic field is directed in the direction of the normal of the outer periphery, to make the surface magnetic flux density equal in the normal direction. In the transition section, a tangent component is applied in the direction of the oriented magnetic field and the absolute value of a surface magnetic flux density in the normal direction is reduced gradually, as the electrical angle is increased, and a gradually increased distribution is made, resin is cured, and the magnet is oriented. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、モータに使用される中空円筒状の異方性ボンド磁石の配向処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
モータ用の永久磁石として、中空円筒状に成形した異方性ボンド磁石が知られている。このボンド磁石は所定の磁場分布を発生させた状態で成形することで磁場を配向させている。円筒状のボンド磁石の軸に垂直な断面における配向磁場のパターンには、主として、アキシャル配向とラジアル配向との２種類がある。アキシャル配向は、断面において１軸方向に配向させる方法であり、ラジアル配向は断面中心から放射状に、即ち、円周の法線方向に配向させる方法である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このような配向のボンド磁石を、例えば、２極のＤＣブラシモータに用いた場合には、主として、モータは次の特性を示す。アキシャル配向のボンド磁石を用いたモータは、電気角の変化に対して法線方向の表面磁束密度が正弦波的に変化するので、コギングトルクは小さいが、出力トルクも小さい。一方、ラジアル配向のボンド磁石を用いたモータは、電気角の変化に対して法線方向の表面磁束密度が大略方形波的に変化するので、出力トルクは大きいが、コギングトルクも大きい。
【０００４】
従来の配向方式を用いたボンド磁石は、上記のように、出力トルクを大きくしようとすると、コギングトルクも必然的に大きくなり、コギングトルクを小さくしようとすると、出力トルクも必然的に小さくなるという問題があった。
【０００５】
又、特開平５−１４４６３２号公報は、表面磁束密度の軸方向に沿った分布に関して、トルク発生に寄与しない端部では軸方向の中心に向かう磁場配向とすることで、トルクの効率的な発生を図ることを提案している。さらに、同公報には軸方向に垂直な断面における磁場分布において、基本的には法線方向に発生している磁場分布を作用円弧面の中央域に集中配向させることが提案されている。このような磁場分布によって磁場がトルク発生に有効に寄与するようにしている。
【０００６】
しかしながら、同公報では、軸に垂直な断面での磁場分布が作用円弧の中心領域において、磁場を中心に収束させているので、コギンドトルクが大きくなるという問題がある。又、同公報に記載された配向方法について磁場分布をシミュレートした結果は、作用円弧面の中央部において中心に向かう配向分布は形成されずに、ほぼ円周の全域に渡って法線方向の磁場分布であった。このように、現実には、作用円弧面の中央部において中心に向かって配向した磁場分布は形成されていないと考えられる。
【０００７】
又、異方性ボンド磁石は成形時に配向処理が成される関係上、ボンド磁石のアキシャル配向処理は、ボンド磁石が軸方向に長くとも、成形容易である。しかし、ラジアル配向の場合には、軸の両端方向から相互に反発する磁束を軸に沿って印加させて、配向磁場の反発により断面中心から放射状に、即ち、円周の法線方向に磁束を曲げる処理をして製造される。このため、側周面の表面磁束密度が軸断面積と側周面の面積との関係に依存するために、いわゆるラジアルファクターが大きいボンド磁石の配向処理は容易ではなかった。従来、ラジアルファクターの大きい軸方向に長い磁石はラジアルファクターの小さい予備的にラジアル配向された複数のリング磁石を複数積層して、加熱圧縮成形する方法をとっていた。しかし、この方法は、軸方向に長いラジアル配向磁石の製造を可能としているが、工程数が多く生産性が十分ではなかった。更に、配向方法の性質上、金型内で複数同時に配向させることができず、多数個取りができないため、生産性が不十分であった。
【０００８】
そこで、本発明は、出力トルクが大きく、コギングトルクの小さいモータ用ボンド磁石を実現することを目的とする。
又、上記の目的を達成するラジアル配向に類似した本発明特有の配向処理を容易に行えるようにすることである。特に、ラジアル配向に比較してラジアルファクターの大きいリング磁石における配向処理を容易にすることを目的とする。又、その生産性を向上させることを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段及び発明の作用効果】
上記課題を解決するための請求項１に記載の発明の構成は、中空円筒状の異方性ボンド磁石を配向処理する方法において、金型を用いて異方性ボンド磁石を成形するにあたり、金型の円柱状のキャビティの中心軸に高透磁率物体から成る円柱状のコアを設け、このコアの外周部に円筒状に形成されるキャビティに異方性ボンド磁石原料を充填し、中心軸に垂直な断面上のキャビティにおいて、磁極周期の主たる区間においては向きが外周の法線方向となるように配向磁場を付与することで、着磁後の異方性ボンド磁石の法線方向の表面磁束密度の大きさが等しい分布を発生させ、一方、磁極の向きが変化する遷移区間においては配向磁場を接線方向に漸次反転させることで、着磁後の異方性ボンド磁石の法線方向の法線方向の表面磁束密度の絶対値が電気角の増加に対して漸減、漸増させた分布となるように配向磁場を発生させて、異方性ボンド磁石を配向処理させることを特徴とするモータ用異方性ボンド磁石の配向処理方法である。
【００１０】
又、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の配向処理方法において、キャビティにおいて、磁極周期の主たる区間においてのみ配向磁場をコアに向かって収束させる高透磁率から成るガイドを設けたことを特徴する。
【００１１】
又、請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の配向処理方法において、磁極周期の主たる区間において配向磁場を前記コアに向かって放射する磁石を金型内に設けたことを特徴とする。
【００１２】
尚、異方性ボンド磁石としては、異方性希土類ボンド磁石、例えば、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系の異方性希土類ボンド磁石を用いると有効である。
【００１３】
本発明の製造方法により製造された中空円筒状の異方性ボンド磁石は、軸に垂直な断面における表面磁束密度の分布に特徴がある。即ち、磁極の周期的な変化を電気角を変数として表す時、トルクの発生に主として寄与する電気角区間においては、断面において円周の法線方向に磁場を配向させている。そして、磁極の変化する遷移区間においては、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、配向磁場を接線方向に漸次反転するようにしている。
【００１４】
このような本発明の配向処理を行うために、キャビティにおいて、磁極周期の主たる区間においてのみ配向磁場をコアに向かって収束させる高透磁率から成るガイドを設ける。一方、遷移区間では高透磁率物体は存在しない。このために、ガイドがない部分では配向磁場の収束がないので、配向磁場はガイド端から他のガイド端に向かってコア側に引き寄せられつつ一方向（接線方向）に流れる成分を有することになる。よって、遷移区間では、配向磁場の向きは接線成分が付与されて法線方向の表面磁束密度の絶対値は電気角の増加に対して漸減、漸増させた分布となる。
【００１５】
この状態でキャビティに主に磁石粉末と樹脂粉末から構成されたボンド磁石原料が充填され配向処理が実行される。そして、図１（ｂ）に示すように、その配向処理後に着磁した時の異方性ボンド磁石の法線方向の表面磁束密度の絶対値は電気角の変化に対して滑らかに漸減、漸増するような分布となる。このような配向磁場分布によって製造された異方性ボンド磁石を用いたモータは、以下の特性を有する。トルク発生に主として寄与する電気角区間は、ラジアル配向が得らるために、モータの出力トルクは大きい。一方、磁極が変化する遷移区間では、法線方向の表面磁束密度が、電気角の推移に対して漸減、漸増するので、法線方向の表面磁束密度の急激な変化がなくコギングトルクは小さい。
【００１６】
又、請求項３の発明のように、磁極周期の主たる区間において配向磁場をコアに向かって放射する磁石を金型内に設けることで、上記と同様に、磁極周期の主たる区間においては、ほぼラジアル配向が得られ、磁極が変化する遷移区間では、配向磁場には、円筒の周回方向に沿った接線成分が付与される。これにより、配向処理された磁石は、法線方向の表面磁束密度の絶対値が電気角の推移に対して漸減、漸増するような分布となる。このようにして、特有な配向を有した異方性ボンド磁石の配向処理を行うことができる。
以上のことから、ラジアル配向とほぼ同等のトルクでコギングトルクを減少させることができ、且つ、ラジアルファクターの大きいリング磁石の製造方法に比べて、複数のリング磁石を複数積層することをなくして工程数を大幅に減少させることができる。又、金型内で多数個取りが可能になることにより、生産性を大幅に向上できる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施の形態に基づいて説明する。なお、本発明は、下記の実施の形態に限定されるものではない。
（第１実施例）
図１は、本発明の具体的な実施の形態により製造されたボンド磁石の構成を示している。ボンド磁石１０には、例示であるが、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系の異方性希土類ボンド磁石を用いた。ボンド磁石１０は軸１１を中心として周辺に外周肉厚部１２を有した中空円筒形状をしている。図１（ａ）は軸１１に垂直な横断面図である。
【００１８】
図１は、２極着磁の場合を示している。電気角にして約１３５度の範囲Ｂが主としてトルクを発生する電気角区間である。また、電気角にして約４５度の範囲Ａが磁極が変化する遷移区間である。電気角区間Ｂにおいては、大略外周肉厚部１２の法線方向の表面磁束密度は大きさが等しい。また、電気角区間Ａにおいては、図示するように電気角の推移に伴って表面の磁気ベクトルは滑らかに反転する。電気角２π（１周期）における法線方向の表面磁束密度の変化特性は図１（ｂ）に示す特性となっている。図１（ｂ）に示すように、区間Ｂにおいては、法線方向の表面磁束密度はほぼ一定であり、区間Ａにおいては法線方向の表面磁束密度は電気角θの増加に伴って、その絶対値が滑らかに漸減、漸増している。
【００１９】
なお、ボンド磁石１０の軸１１に平行な縦断面図における法線方向の表面磁束密度の分布は軸１１の方向に沿って一様にしている。しかし、軸１１の方向に沿っては一様に磁化させなくとも良い。
【００２０】
一方、比較例として、ラジアル配向、アキシャル配向させたボンド磁石を製造した。寸法は上記実施例により製造されるボンド磁石と同一である。図３に示すように、ラジアル配向、アキシャル配向させたボンド磁石の法線方向の表面磁束密度は、それぞれ、図示するように変化している。即ち、ラジアル配向させたボンド磁石では、ほぼ全電気角の範囲において法線方向の表面磁束密度はほぼ一定値をとり、磁極の変化点で法線方向の表面磁束密度は急変している。他方、アキシャル配向させたボンド磁石では、法線方向の表面磁束密度は電気角の１周期に渡りほぼ正弦波的に変化している。また、本実施例のように配向させたボンド磁石の法線方向の表面磁束密度の分布も合わせて図３に示されている。
【００２１】
そして、これらのボンド磁石を励磁磁石としてＤＣブラシモータを製造した。ＤＣブラシモータの寸法は全て同一にした。それらのモータの出力トルクとコギングトルクを、それぞれ、測定した。ラジアル配向のボンド磁石を用いたＤＣブラシモータの出力トルクを１００％、コギングトルクを１００％として、アキシャル配向のボンド磁石を用いたモータと、本実施例の配向を用いたボンド磁石のモータの出力トルク、コギングトルクの測定値を図３に示す。
【００２２】
アキシャル配向のボンド磁石を用いたモータのコギングトルクは０．５％と大きく低下しているが、出力トルクも６５％と大幅に低下した。それに比べて、本実施例の配向のボンド磁石を用いたモータにおいては、出力トルクは９５％とほとんど低下させることなく、コギングトルクは３０％に大幅に低下させることができた。即ち、わずか５％の出力トルクの低下だけで、コギングトルクを７０％も低下させることができた。これは、モータの性能にとって極めて有効な改善である。
【００２３】
次に、上記のボンド磁石の配向形成方法を圧縮成形した実施例に基づいて説明する。図４（ａ）が装置の平面断面図、図４（ｂ）が装置の縦断面図である。図５が金型３０のキャビティ３５を含む部分の詳細断面図である。金型３０のキャビティ３５の外側には円筒状のニブ３３が設けられ、そのニブ３３のさらに外側には、断面が円弧状で軸方向に伸びた柱状の軟磁性体から成るガイド３１ａ、３１ｂが設置されている。ガイド３１ａ、３１ｂが存在しない位置には非磁性体から成るインサート３４ａ、３４ｂが設けられている。そして、ニブ３３の内壁に対してキャビティ３５を形成して軟磁性体から成るコア３２が、ニブ３３を貫通して配設されている。コア３２の外壁とニブ３３の内壁との間に形成された円筒状のキャビティ３５に、主に、磁石粉末と樹脂粉末から構成されたボンド磁石原料が供給される。金型３０の両側にはポールピース４１ａ、４１ｂが配設されており、それらのポールピース４１ａ、４１ｂを内包するように磁場発生用コイル４２ａ、４２ｂが配設されている。金型３０、ニブ３３、インサート３４ａ、３４ｂはステンレス等の非磁性体から成る。コア３２、ガイド３１ａ、３１ｂは高透磁率物体である。
【００２４】
上記の構成において、コイル４２ａ、４２ｂに直流電流を通電することで、ポールピース４１ａとポールピース４１ｂ間にコア３２の軸に垂直に平行な配向磁場が形成される。ポールピース４１ａ、ポールピース４１ｂ、ガイド３１ａ、３１ｂ、コア３２は、磁気回路中の磁気抵抗が極めて小さい部分であり、配向磁場はその部分に収束して流れる。ガイド３１ａ、３１ｂの透磁率は金型３０、ニブ３３、インサート３４ａ、３４ｂの透磁率に比べて遥かに大きい。このために、図２から明らかなように、ポールピース４１ａ、４１ｂから出力される平行な配向磁場は、ガイド３１ａ、３１ｂに収束して、ガイド３１ａ、３１ｂの壁面に垂直な方向にコア３２に向かって案内される。ガイド３１ａ、３１ｂの存在しないところは、透磁率の低いインサート３４ａ、３４ｂと金型３０であるので、この部分のコア３２の外周面に垂直に向かう配向磁場は、高透磁率ガイドがないために、ほとんど弱まる。その時、一方のガイドのコアに対面する端部付近からもう一方のガイドのコアに対面する端部付近への配向磁場の存在に加え、コアが高透磁率であるため、磁気抵抗が小さく配向磁場はコアの近傍を通る。これにより、磁石の磁極の向きが変化する遷移区間に相当するキャビティ３５には配向磁場を接線方向に漸次反転させることになる。
【００２５】
上記の構成において、円弧状のガイド３１ａ、３１ｂの軸１１を中心とする角度、およそ１３５度の区間が図１の区間Ｂに相当する。また、ガイド３１ａ、３１ｂの存在しない角度、およそ４５度の区間が図１の遷移区間Ａに相当する。このような構成により図１及び図３に示すような法線方向の表面磁束密度分布を得ることができる。キャビティ３５の磁束分布に関しては、遷移区間Ａにおいては配向磁場の方向が回転することで、図１（ｂ）に示すように電気角の推移に対して、法線方向の表面磁束密度の絶対値が滑らかに漸減、漸増する特性となる。一方、区間Ｂにおいては、表面磁束密度は絶対値が一定の法線方向だけとなり、区間Ｂにおいてほぼ一定の表面磁束密度とすることができる。このような構成によって、図１（ｂ）に示すような法線方向の表面磁束密度の分布を得ることができる。
【００２６】
上記の例は２極配向させたボンド磁石の例であるが、４極配向させる場合には、図６、図７のような装置により製造することができる。即ち、金型３０のキャビティの中に軟磁性でできたリング５１を設けて、そのリング５１の内側とニブ３３との間に非磁性材料から成るインサート５２ａ、５２ｂ、５２ｃ、５２ｄにより、４分割された永久磁石５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、５０ｄを設けている。これらのインサートは、永久磁石間の磁気的短絡を避けるためである。この配置により上述したのと同様に４極配向の場合に磁極が変化する遷移領域において法線方向の表面磁束密度を付与して、法線方向の表面磁束密度の絶対値が電気角の推移に対して滑らかに漸減、漸増させる特性とすることができる。このような構成により、１つの金型で多数個のボンド磁石を製造することができる。
【００２７】
異方性希土類ボンド磁石１０はプラスチック磁石とも言われ、代表的には、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系の磁石粉末を樹脂材料と混合して成形したものである。本出願人により、近年ようやく量産化が可能となったものである。例えば、この異方性希土類ボンド磁石１０は、公開番号ｐ２００１−７６９１Ａ、登録番号第２８１６６６８号、登録番号第３０６０１０４号の製造方法で作製される。この異方性希土類ボンド磁石は、最大エネルギー積１０ＭＧＯｅ〜２８ＭＧＯｅのものを、現在、製造することができる。
【００２８】
その他、磁石粉末としては、フェライト系、サマリウム−コバルト系、サマリウム−鉄−窒素系等の材料を用いることができる。また、磁石粉末の粒径等は公知のものを使用できる。例えば、フェライト系では平均粒径で１μｍ程度、希土類系では１〜１００μｍ程度である。樹脂は、公知の材料を用いることができる。ナイロン１２、ナイロン６等のポリアミド系合成樹脂や、ポリ塩化ビニル、その酢酸ビニル共重合体、ＭＭＡ、ＰＳ、ＰＰＳ、ＰＥ、ＰＰ等の単独又は共重合体したビニル系合成樹脂や、ウレタン、シリコーン、ポリカーボネート、ＰＢＴ、ＰＥＴ、ＰＥＥＫ、ＣＰＥ、ハイパロン、ネオプレン、ＳＢＲ、ＮＢＲ等の熱可塑性樹脂、又はエポキシ系、フェノール系等の熱硬化性樹脂を用いることができる。磁石粉末と合成樹脂の配合比率は公知のものを用いることができる。例えば、４０〜９０ｖｏｌ％とすることができる。また、可塑剤、滑剤、抗酸化剤、表面処理剤等を目的に応じて使用することができる。
【００２９】
製造条件としては、以下の条件を採用することが可能である。実施例では熱硬化性樹脂を使用したが、熱可塑性樹脂でも良い。実施例では圧縮成形を用いたが、他の公知の成形方法を用いることができる。本実施例では、磁場配向と圧縮成形を同時に行うため、磁場中加熱圧縮成形を用いた。まず、予成形の条件は、金型温度を１２０℃、成形圧力を２．５ｔ／ｃｍ^２、成形時間を１５ｓｅｃ、配向磁場を２Ｔとした。配向の仕方は先に記述した通りである。本成形の条件は、金型温度を１５０℃、成形圧力を８．０ｔ／ｃｍ^２、成形時間を１０ｓｅｃとした。着磁は次のように行った。着磁ヨークとして、図４と同様に円筒状のボンド磁石の内側に軟磁性コアを配置した。着磁磁場は、配向磁場と同様に、円筒状のボンド磁石の軸に対して垂直な方向に平行磁場として作用させる。着磁方法は、パルス磁場を用いた。着磁磁場は約４Ｔである。
【００３０】
また、異方性希土類ボンド磁石１０は樹脂成形で製作されるので、精度のよい中空円筒状に形成される。そして、異方性希土類ボンド磁石１０は容易に精度よく対称的に着磁される。モータ装置内部で磁場が精度よく対称的に発生される。
【００３１】
上記実施例は、本発明の実施形態の１例であり他に様々な変形例が考えられる。例えば、上記実施例では異方性希土類ボンド磁石１０を２極着磁としたが、２極より多くてもよい。例えば、４極、６極、８極でもよい。磁極数を多くすれば、それだけ磁路長も短くなるので、アーマチャコイルの横切る磁束が増加する。
【００３２】
又、上記実施例では、２極着磁の場合に、電気角にして約１３５度の範囲Ｂを主としてトルクを発生する電気角区間とし、電気角にして約４５度の範囲Ａを磁極が変化する遷移区間としている。しかし、遷移区間は約５０度の範囲、約３０度の範囲、約１５度の範囲等を用いることができる。そしてトルクを主として生じる範囲は残りの電気角区間とする。又、４極配置の場合には、遷移区間は上記の１／２が、６極配置の場合には上記の１／３が、８極配置の場合には上記の１／４が用いられる。
【００３３】
本発明のボンド磁石は、ＤＣブラシモータの励磁として用いることができる。この場合には、ステータにもロータにも使用でき、モータの種類としては、ＤＣブラシモータの他、ブラシレスモータ、同期モータ等に使用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）図は、本発明の具体的な実施の形態の製造方法により製造されたボンド磁石の表面の磁気ベクトルの分布を示した横断面図、（ｂ）図は電気角に対する法線方向の表面磁束密度の変化特性を示した特性図。
【図２】ボンド磁石の製造時の配向磁場分布を示した断面図及び詳細図。
【図３】本発明の実施の形態の製造方法によるボンド磁石の配向磁場分布と、着磁されたボンド磁石表面の磁気ベクトル分布と磁石表面の法線方向の表面磁束密度分布特性を、従来例のラジアル配向とアキシャル配向の配向特性と法線方向の表面磁束密度分布特性と比較して説明した説明図。
【図４】（ａ）図は本発明の実施の形態に係るボンド磁石の配向処理装置の横断面図、（ｂ）図は同配向処理装置の横断面図。
【図５】同配向処理装置の金型内の詳細な構成を示した横断面図。
【図６】（ａ）図は他の実施の形態にかかる４極配向のボンド磁石の配向処理装置の横断面図、（ｂ）図は同配向処理装置の縦断面図。
【図７】その実施例の形態にかかる配向処理装置の金型の詳細な構成を示した横断面図。
【符号の説明】
１０…異方性ボンド磁石
１１…軸
１２…外周肉厚部
３０…金型
３１ａ，３１ｂ…ガイド
３２…コア
３３…ニブ
３４ａ，３４ｂ…インサート
３５…キャビティ
４１ａ，４１ｂ…ポールピース
４２ａ，４２ｂ…磁気発生用コイル
５０ａ，５０ｂ，５０ｃ，５０ｄ…永久磁石[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for orienting a hollow cylindrical anisotropic bonded magnet used in a motor.
[0002]
[Prior art]
As a permanent magnet for a motor, an anisotropic bonded magnet formed into a hollow cylindrical shape is known. This bonded magnet is oriented in a magnetic field by being formed in a state where a predetermined magnetic field distribution is generated. There are mainly two types of patterns of the orientation magnetic field in the cross section perpendicular to the axis of the cylindrical bond magnet, that is, axial orientation and radial orientation. Axial orientation is a method of orienting in a uniaxial direction in a cross section, and radial orientation is a method of orienting radially from the center of the cross section, that is, in a direction normal to the circumference.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
When a bonded magnet having such an orientation is used, for example, in a two-pole DC brush motor, the motor mainly exhibits the following characteristics. A motor using a bond magnet having an axial orientation has a small cogging torque but a small output torque because the surface magnetic flux density in the normal direction changes sinusoidally with a change in electrical angle. On the other hand, a motor using a radially-oriented bonded magnet has a large output torque but a large cogging torque because the surface magnetic flux density in the normal direction changes substantially in a square wave with respect to a change in the electrical angle.
[0004]
As described above, the bond magnet using the conventional orientation method inevitably increases the cogging torque when trying to increase the output torque, and inevitably decreases the output torque when trying to reduce the cogging torque. There was a problem.
[0005]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-144632 discloses that the distribution of the surface magnetic flux density along the axial direction is such that the end portion that does not contribute to the torque generation has a magnetic field oriented toward the center in the axial direction, thereby efficiently generating torque. It is suggested that Further, the publication proposes that in a magnetic field distribution in a cross section perpendicular to the axial direction, a magnetic field distribution generated basically in a normal direction is concentrated and oriented in a central region of a working arc surface. With such a magnetic field distribution, the magnetic field effectively contributes to torque generation.
[0006]
However, in this publication, the magnetic field distribution in a cross section perpendicular to the axis converges on the magnetic field in the center region of the acting arc, so that there is a problem that the cogged torque increases. In addition, the result of simulating the magnetic field distribution for the orientation method described in the same publication shows that the orientation distribution toward the center is not formed at the center of the working arc surface, and the normal direction is almost distributed over the entire circumference. It was a magnetic field distribution. Thus, in reality, it is considered that a magnetic field distribution oriented toward the center is not formed at the center of the working arc surface.
[0007]
In addition, since the anisotropic bonded magnet is subjected to an orientation treatment at the time of molding, the axial orientation treatment of the bonded magnet is easy to mold even if the bonded magnet is long in the axial direction. However, in the case of radial orientation, magnetic fluxes repelling each other from both ends of the axis are applied along the axis, and the repulsion of the orientation magnetic field causes the magnetic flux to radiate radially from the center of the cross section, that is, in the direction normal to the circumference. It is manufactured by bending. For this reason, since the surface magnetic flux density of the side peripheral surface depends on the relationship between the axial cross-sectional area and the area of the side peripheral surface, it is not easy to perform the orientation treatment of a bonded magnet having a large so-called radial reactor. Conventionally, a magnet having a large length in the axial direction has been formed by laminating a plurality of preliminarily radially oriented ring magnets having a small radius alpha and heating and compression molding. However, although this method enables the manufacture of a radially oriented magnet that is long in the axial direction, the number of steps is large and the productivity is not sufficient. Furthermore, due to the nature of the orientation method, it was not possible to simultaneously align a plurality of pieces in a mold and a large number of pieces could not be obtained, resulting in insufficient productivity.
[0008]
Accordingly, an object of the present invention is to realize a bonded magnet for a motor having a large output torque and a small cogging torque.
Another object of the present invention is to make it possible to easily carry out an orientation treatment peculiar to the present invention, which is similar to the radial orientation for achieving the above object. In particular, it is an object of the present invention to facilitate the orientation treatment in a ring magnet having a large radial alpha actor as compared to the radial orientation. Another object is to improve the productivity.
[0009]
Means for Solving the Problems and Effects of the Invention
According to a first aspect of the present invention, there is provided a method for orienting a hollow cylindrical anisotropic bonded magnet, the method comprising: A cylindrical core made of a material having high magnetic permeability is provided on the central axis of the cylindrical cavity of the mold, and an anisotropic bonded magnet material is filled into a cylindrical cavity formed on the outer periphery of the core. In a cavity on a vertical cross section, by applying an orientation magnetic field so that the direction is the normal direction of the outer periphery in the main section of the magnetic pole period, the surface magnetic flux in the normal direction of the anisotropic bonded magnet after magnetization is given. In the transition section where the direction of the magnetic pole changes, the orientation magnetic field is gradually reversed in the tangential direction in the transition section where the direction of the magnetic pole changes, so that the normal direction of the anisotropic bonded magnet after magnetization is obtained. Of the surface magnetic flux density in the line direction Anisotropic bonded magnet orientation for motors, characterized in that an orienting magnetic field is generated so that the logarithmic value has a distribution that gradually decreases and increases with an increase in the electrical angle to orient the anisotropic bonded magnet. Processing method.
[0010]
According to a second aspect of the present invention, in the orientation processing method according to the first aspect, the cavity is provided with a guide having a high magnetic permeability for converging the orientation magnetic field toward the core only in a main section of the magnetic pole period. It is characterized.
[0011]
According to a third aspect of the present invention, in the orientation processing method according to the first aspect, a magnet that emits an orientation magnetic field toward the core in a main section of a magnetic pole period is provided in a mold. I do.
[0012]
As the anisotropic bonded magnet, it is effective to use an anisotropic rare earth bonded magnet, for example, an Nd—Fe—B based anisotropic rare earth bonded magnet.
[0013]
The hollow cylindrical anisotropic bonded magnet manufactured by the manufacturing method of the present invention is characterized by the distribution of the surface magnetic flux density in a cross section perpendicular to the axis. That is, when the periodic change of the magnetic pole is represented by the electric angle as a variable, in the electric angle section mainly contributing to the generation of torque, the magnetic field is oriented in the normal direction of the circumference in the cross section. In the transition section where the magnetic pole changes, the orientation magnetic field is gradually reversed in the tangential direction as shown in FIGS. 2 (a) and 2 (b).
[0014]
In order to perform such an orientation treatment of the present invention, a guide having a high magnetic permeability for converging the orientation magnetic field toward the core only in the main section of the magnetic pole period is provided in the cavity. On the other hand, no high-permeability object exists in the transition section. For this reason, since there is no convergence of the orientation magnetic field in a portion where there is no guide, the orientation magnetic field has a component flowing in one direction (tangential direction) while being drawn from the guide end toward the other guide end toward the core. . Therefore, in the transition section, the orientation of the orientation magnetic field is provided with a tangential component, and the absolute value of the surface magnetic flux density in the normal direction has a distribution that gradually decreases and increases with an increase in the electrical angle.
[0015]
In this state, the cavity is filled with a bonded magnet raw material mainly composed of a magnet powder and a resin powder, and an alignment process is performed. Then, as shown in FIG. 1 (b), the absolute value of the surface magnetic flux density in the normal direction of the anisotropic bonded magnet when magnetized after the orientation treatment smoothly gradually decreases and increases with changes in the electrical angle. Distribution. A motor using an anisotropic bonded magnet manufactured by such an orientation magnetic field distribution has the following characteristics. In an electrical angle section that mainly contributes to torque generation, a radial orientation is obtained, so that the output torque of the motor is large. On the other hand, in the transition section in which the magnetic pole changes, the surface magnetic flux density in the normal direction gradually decreases and increases with the change in the electrical angle, so that there is no rapid change in the surface magnetic flux density in the normal direction and the cogging torque is small.
[0016]
Further, by providing a magnet for radiating the orientation magnetic field toward the core in the main section of the magnetic pole period in the mold in the main section of the magnetic pole cycle, the main section of the magnetic pole period is substantially similar to the above. In the transition section where the radial orientation is obtained and the magnetic pole changes, the orientation magnetic field is given a tangential component along the circumferential direction of the cylinder. As a result, the oriented magnet has a distribution in which the absolute value of the surface magnetic flux density in the normal direction gradually decreases and increases with the transition of the electrical angle. In this manner, the orientation treatment of the anisotropic bonded magnet having a specific orientation can be performed.
From the above, it is possible to reduce the cogging torque at a torque substantially equal to the radial orientation, and to eliminate the step of laminating a plurality of ring magnets as compared with a method of manufacturing a ring magnet having a large radial factor. The number can be greatly reduced. In addition, productivity can be greatly improved because a large number of pieces can be taken in a mold.
[0017]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described based on embodiments. Note that the present invention is not limited to the following embodiments.
(First embodiment)
FIG. 1 shows a configuration of a bonded magnet manufactured according to a specific embodiment of the present invention. For example, an Nd-Fe-B-based anisotropic rare-earth bonded magnet was used as the bonded magnet 10. The bonded magnet 10 has a hollow cylindrical shape having an outer peripheral thick portion 12 around a shaft 11. FIG. 1A is a cross-sectional view perpendicular to the axis 11.
[0018]
FIG. 1 shows a case of two-pole magnetization. A range B of about 135 degrees in electrical angle is an electrical angle section in which torque is mainly generated. A range A of about 45 degrees in electrical angle is a transition section in which the magnetic pole changes. In the electrical angle section B, the surface magnetic flux densities in the normal direction of the outer peripheral thick part 12 are substantially equal in magnitude. In the electrical angle section A, the magnetic vector on the surface is smoothly inverted with the change of the electrical angle as shown in the figure. The change characteristic of the surface magnetic flux density in the normal direction at an electrical angle of 2π (one cycle) is as shown in FIG. As shown in FIG. 1B, in the section B, the surface magnetic flux density in the normal direction is almost constant, and in the section A, the surface magnetic flux density in the normal direction increases as the electrical angle θ increases. The absolute value smoothly decreases and increases gradually.
[0019]
The distribution of the surface magnetic flux density in the normal direction in the longitudinal sectional view parallel to the axis 11 of the bonded magnet 10 is made uniform along the direction of the axis 11. However, it is not necessary to magnetize uniformly along the direction of the axis 11.
[0020]
On the other hand, as a comparative example, a bonded magnet with radial orientation and axial orientation was manufactured. The dimensions are the same as those of the bonded magnet manufactured according to the above embodiment. As shown in FIG. 3, the surface magnetic flux densities in the normal direction of the radially oriented and axially oriented bonded magnets change as shown in the figure. That is, in the radially oriented bond magnet, the surface magnetic flux density in the normal direction has a substantially constant value in a range of almost all electric angles, and the surface magnetic flux density in the normal direction changes abruptly at the change point of the magnetic pole. On the other hand, in the bond magnet in the axial orientation, the surface magnetic flux density in the normal direction changes almost sinusoidally over one period of the electrical angle. FIG. 3 also shows the distribution of the surface magnetic flux density in the normal direction of the bonded magnet oriented as in this embodiment.
[0021]
Then, a DC brush motor was manufactured using these bond magnets as excitation magnets. The dimensions of the DC brush motor were all the same. The output torque and cogging torque of those motors were measured, respectively. Assuming that the output torque of the DC brush motor using the bond magnet of the radial orientation is 100% and the cogging torque is 100%, the output of the motor using the bond magnet of the axial orientation and the output of the motor of the bond magnet using the orientation of the present embodiment are used. FIG. 3 shows the measured values of the torque and the cogging torque.
[0022]
Although the cogging torque of the motor using the axially oriented bonded magnet was greatly reduced to 0.5%, the output torque was also significantly reduced to 65%. On the other hand, in the motor using the bonded magnet of the present embodiment, the cogging torque was able to be greatly reduced to 30% while the output torque was hardly reduced to 95%. That is, the cogging torque could be reduced by as much as 70% with only a decrease in the output torque of only 5%. This is a very significant improvement in motor performance.
[0023]
Next, a method of forming the orientation of the bonded magnet will be described based on an example in which compression molding is performed. 4A is a plan sectional view of the device, and FIG. 4B is a longitudinal sectional view of the device. FIG. 5 is a detailed sectional view of a portion including the cavity 35 of the mold 30. A cylindrical nib 33 is provided outside the cavity 35 of the mold 30, and further outside the nib 33, guides 31 a and 31 b formed of a columnar soft magnetic material having an arc-shaped cross section and extending in the axial direction are provided. is set up. Inserts 34a and 34b made of a non-magnetic material are provided at positions where the guides 31a and 31b do not exist. A cavity 32 is formed on the inner wall of the nib 33 and a core 32 made of a soft magnetic material is provided to penetrate the nib 33. To a cylindrical cavity 35 formed between the outer wall of the core 32 and the inner wall of the nib 33, a bonded magnet material mainly composed of magnet powder and resin powder is supplied. Pole pieces 41a and 41b are provided on both sides of the mold 30, and magnetic field generating coils 42a and 42b are provided so as to include the pole pieces 41a and 41b. The mold 30, the nib 33, and the inserts 34a and 34b are made of a non-magnetic material such as stainless steel. The core 32 and the guides 31a and 31b are high-permeability objects.
[0024]
In the above configuration, by applying a direct current to the coils 42a and 42b, an orientation magnetic field perpendicular to the axis of the core 32 is formed between the pole pieces 41a and 41b. The pole piece 41a, the pole piece 41b, the guides 31a, 31b, and the core 32 are portions where the magnetic resistance in the magnetic circuit is extremely small, and the orienting magnetic field converges and flows into these portions. The magnetic permeability of the guides 31a, 31b is much larger than the magnetic permeability of the mold 30, the nib 33, and the inserts 34a, 34b. For this reason, as is clear from FIG. 2, the parallel orientation magnetic fields output from the pole pieces 41a and 41b converge on the guides 31a and 31b, and are directed to the core 32 in a direction perpendicular to the wall surfaces of the guides 31a and 31b. You will be guided towards. Since there are no guides 31a and 31b in the inserts 34a and 34b and the mold 30 having low magnetic permeability, the orientation magnetic field perpendicular to the outer peripheral surface of the core 32 in this part is because there is no high magnetic permeability guide. , Almost weakened. At that time, in addition to the existence of the orientation magnetic field from near the end facing the core of one guide to the vicinity of the end facing the core of the other guide, since the core has high magnetic permeability, the magnetic resistance is small and the orientation magnetic field is small. Passes near the core. As a result, the orientation magnetic field is gradually reversed in the tangential direction in the cavity 35 corresponding to the transition section in which the direction of the magnetic pole of the magnet changes.
[0025]
In the above-described configuration, a section having an angle of 135 degrees around the axis 11 of the arc-shaped guides 31a and 31b corresponds to the section B in FIG. In addition, a section where the guides 31a and 31b do not exist, that is, a section of about 45 degrees corresponds to the transition section A in FIG. With such a configuration, a surface magnetic flux density distribution in the normal direction as shown in FIGS. 1 and 3 can be obtained. Regarding the magnetic flux distribution of the cavity 35, in the transition section A, the direction of the orientation magnetic field rotates, so that the absolute value of the surface magnetic flux density in the normal direction with respect to the transition of the electrical angle as shown in FIG. Is gradually reduced and gradually increased. On the other hand, in the section B, the absolute value of the surface magnetic flux density is only in the normal direction, and the surface magnetic flux density can be made substantially constant in the section B. With such a configuration, a distribution of the surface magnetic flux density in the normal direction as shown in FIG. 1B can be obtained.
[0026]
The above example is an example of a bonded magnet with two poles, but in the case of quadrupole orientation, it can be manufactured by an apparatus as shown in FIGS. That is, a ring 51 made of soft magnetic material is provided in the cavity of the mold 30 and is divided into four parts by inserts 52a, 52b, 52c, and 52d made of a nonmagnetic material between the inside of the ring 51 and the nib 33. Provided permanent magnets 50a, 50b, 50c, 50d. These inserts are to avoid a magnetic short circuit between the permanent magnets. With this arrangement, in the same manner as described above, in the transition region where the magnetic pole changes in the case of quadrupole orientation, the surface magnetic flux density in the normal direction is given, and the absolute value of the surface magnetic flux density in the normal direction becomes the transition of the electrical angle. On the other hand, it is possible to have a characteristic of smoothly decreasing and increasing gradually. With such a configuration, a large number of bonded magnets can be manufactured with one mold.
[0027]
The anisotropic rare earth bonded magnet 10 is also called a plastic magnet, and is typically formed by mixing Nd—Fe—B-based magnet powder with a resin material. The present applicant has finally made mass production possible in recent years. For example, the anisotropic rare earth bonded magnet 10 is manufactured by the manufacturing method of publication number p2001-7691A, registration number 2816668, and registration number 3060104. This anisotropic rare-earth bonded magnet having a maximum energy product of 10 MGOe to 28 MGOe can be manufactured at present.
[0028]
In addition, ferrite, samarium-cobalt, and samarium-iron-nitrogen materials can be used as the magnet powder. In addition, a known particle size or the like of the magnet powder can be used. For example, the average particle diameter is about 1 μm for a ferrite type, and about 1 to 100 μm for a rare earth type. As the resin, a known material can be used. Polyamide-based synthetic resin such as nylon 12, nylon 6, etc., polyvinyl chloride, vinyl acetate copolymer thereof, homo- or copolymerized vinyl-based synthetic resin such as MMA, PS, PPS, PE, PP, urethane, silicone And thermoplastic resins such as polycarbonate, PBT, PET, PEEK, CPE, Hypalon, neoprene, SBR and NBR, or thermosetting resins such as epoxy-based and phenol-based resins. Known mixing ratios of the magnet powder and the synthetic resin can be used. For example, it can be 40 to 90 vol%. In addition, a plasticizer, a lubricant, an antioxidant, a surface treatment agent and the like can be used according to the purpose.
[0029]
The following conditions can be adopted as the manufacturing conditions. Although a thermosetting resin is used in the embodiment, a thermoplastic resin may be used. In the embodiment, compression molding is used, but other known molding methods can be used. In this example, in order to simultaneously perform the magnetic field orientation and the compression molding, the heat compression molding in a magnetic field was used. First, the preforming conditions were as follows: the mold temperature was 120 ° C., the molding pressure was 2.5 t / cm ² , the molding time was 15 sec, and the orientation magnetic field was 2T. The orientation is as described above. The molding conditions were as follows: the mold temperature was 150 ° C., the molding pressure was 8.0 t / cm ² , and the molding time was 10 seconds. Magnetization was performed as follows. As a magnetization yoke, a soft magnetic core was arranged inside a cylindrical bond magnet as in FIG. The magnetizing magnetic field acts as a parallel magnetic field in a direction perpendicular to the axis of the cylindrical bond magnet similarly to the orientation magnetic field. The magnetizing method used a pulse magnetic field. The magnetizing magnetic field is about 4T.
[0030]
Further, since the anisotropic rare earth bonded magnet 10 is manufactured by resin molding, it is formed in a hollow cylindrical shape with high accuracy. Then, the anisotropic rare earth bonded magnet 10 is easily and accurately and symmetrically magnetized. A magnetic field is precisely and symmetrically generated inside the motor device.
[0031]
The above embodiment is an example of the embodiment of the present invention, and various other modifications are possible. For example, in the above embodiment, the anisotropic rare-earth bonded magnet 10 is magnetized in two poles, but may be more than two poles. For example, four poles, six poles, or eight poles may be used. As the number of magnetic poles is increased, the magnetic path length is shortened accordingly, so that the magnetic flux traversing the armature coil increases.
[0032]
In the above embodiment, in the case of two-pole magnetization, a range B of about 135 degrees in electrical angle is defined as an electrical angle section in which torque is mainly generated, and a range A of about 45 degrees in electrical angle changes the magnetic pole. Transition section. However, the transition section may use a range of about 50 degrees, a range of about 30 degrees, a range of about 15 degrees, and the like. The range in which torque is mainly generated is the remaining electrical angle section. In the case of the 4-pole arrangement, the above-mentioned 1/2 is used for the transition section, in the case of the 6-pole arrangement, the above-mentioned 1/3 is used, and in the case of the 8-pole arrangement, the above-mentioned 1/4 is used.
[0033]
The bonded magnet of the present invention can be used for exciting a DC brush motor. In this case, the motor can be used for both the stator and the rotor, and the motor can be used for a DC brush motor, a brushless motor, a synchronous motor, and the like.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1A is a cross-sectional view showing the distribution of magnetic vectors on the surface of a bonded magnet manufactured by a manufacturing method according to a specific embodiment of the present invention, and FIG. FIG. 4 is a characteristic diagram showing a change characteristic of a surface magnetic flux density in a normal direction.
FIGS. 2A and 2B are a cross-sectional view and a detailed view showing an orientation magnetic field distribution at the time of manufacturing a bonded magnet. FIGS.
FIG. 3 shows a conventional example of an orientation magnetic field distribution of a bonded magnet, a magnetic vector distribution on a magnetized bonded magnet surface, and a surface magnetic flux density distribution characteristic in a normal direction of the magnet surface according to the manufacturing method of the embodiment of the present invention. FIG. 4 is an explanatory diagram illustrating a comparison between orientation characteristics of radial orientation and axial orientation and surface magnetic flux density distribution characteristics in a normal direction.
FIG. 4A is a cross-sectional view of an apparatus for orienting bonded magnets according to an embodiment of the present invention, and FIG. 4B is a cross-sectional view of the apparatus for orienting bonded magnets.
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a detailed configuration inside a mold of the orientation processing apparatus.
6A is a cross-sectional view of an alignment processing apparatus for a quadrupole bonded magnet according to another embodiment, and FIG. 6B is a longitudinal sectional view of the alignment processing apparatus.
FIG. 7 is a cross-sectional view showing a detailed configuration of a mold of the alignment processing apparatus according to the embodiment.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Anisotropic bond magnet 11 ... Shaft 12 ... Outer peripheral thick part 30 ... Die 31a, 31b ... Guide 32 ... Core 33 ... Nibs 34a, 34b ... Insert 35 ... Cavities 41a, 41b ... Pole pieces 42a, 42b ... Magnetic Generating coils 50a, 50b, 50c, 50d: permanent magnets

Claims

In a method for orienting a hollow cylindrical anisotropic bonded magnet,
In molding the anisotropic bonded magnet using a mold, a cylindrical core made of a high magnetic permeability object is provided on a central axis of a cylindrical cavity of the mold, and a cylindrical shape is formed on an outer peripheral portion of the core. Fill the cavity formed with the anisotropic bonded magnet raw material,
In the cavity on the cross section perpendicular to the central axis, in the main section of the magnetic pole period, by applying an orientation magnetic field so that the orientation is the normal direction of the outer periphery, the anisotropic bond magnet after magnetization. By generating a distribution in which the magnitude of the surface magnetic flux density in the normal direction is equal, on the other hand, in the transition section where the direction of the magnetic pole changes, the orientation magnetic field is gradually reversed in the tangential direction, so that the anisotropic bond after magnetization is produced. An orientation magnetic field is generated such that the absolute value of the surface magnetic flux density in the normal direction of the magnet gradually decreases with an increase in the electrical angle and has a gradually increased distribution.
A method for orienting an anisotropic bonded magnet for a motor, comprising: orienting the anisotropic bonded magnet.

2. The anisotropic bonded magnet for a motor according to claim 1, wherein the cavity is provided with a guide having high magnetic permeability for converging the alignment magnetic field toward the core only in a main section of the magnetic pole period. 3. Orientation treatment method.

2. The method of claim 1, wherein a magnet that emits an orientation magnetic field toward the core in a main section of the magnetic pole period is provided in the mold. 3.