JP2005312167A - ４磁極モータ用異方性ボンド磁石の配向処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】出力トクルを低下させずにコギングトルクを減少させる異方性ボンド磁石を実現すること。
【解決手段】金型の成形空間に設けられた円柱状の高透磁率物体からなるコア３２と、異方性ボンド磁石原料を充填して成形するためのキャビティ３５と、キャビティの外周部にコアの中心に向かって配設され、キャビティにおいて法線方向に配向磁場を形成する４分割された磁性体から成る第１ダイス３８と、ボンド磁石の磁極の向きが変化する遷移区間に対応して、隣接する第１ダイスの間であって、キャビティの外周部にコアの中心に向かって配設された非磁性体から成る４分割された第２ダイス４０と、４個の第１ダイスに磁束を与えるコイル４６と、第２ダイスのキャビティに対向する面側に位置し、キャビティの外周面を構成する磁性体から成り第１ダイスを貫く磁束をキャビティの周回方向に誘導する磁束誘導部材３６とを設けた。
【選択図】図４

Description

本発明は、モータに使用される中空円筒状の４磁極の異方性希土類ボンド磁石を製造するために使用される配向処理装置に関する。

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性体粉末の磁化容易軸を配向させている。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極配向とがある。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。

近年、モータの大幅な小型化・軽量化の要求がある。例えば、非磁性金型で成形したアキシャル配向の２極リング磁石があるが、トルクが小さいという問題点があるため、モータの大幅な小型化・軽量化には答えられない。また、アキシャル配向の発展形として考案された非磁性金型中に磁性材料を埋設することで２極ラジアル配向部と磁極間部でアキシャル配向と思われる配向部もしくは配向していない等方性部で構成された２極リング磁石（例えば、下記特許文献１）があるが、これもトルクが小さいという問題点があるため、モータの大幅な小型化・軽量化には答えられない。

近年、１〜３００ＷクラスのＤＣブラシモータにおいて大幅な小型化・軽量化の要求に答えるために、１４ＭＧＯｅ以上の異方性ボンド磁石を使用した４極モータの検討がなされている（例えば、特許第３４８０７３３号）。そこで使用される磁石としては４極ラジアル配向磁石が想定される。これらに使用する磁石は０．７〜２．５ｍｍ程度の厚さである。この場合、前記の２極モータに対して、大トルク化は満足できるが、コギングトルクが大きいという問題点がある。この場合コギングトルクが大きいのは、配向が全周においてラジアル方向のみであり、その磁石を４極に着磁すると磁極間部で表面磁束密度が急激に減少するためである。コギングトルクを小さくするためには磁極間部（この部分では、磁極の向きが反転する部分であるので、以下、「遷移区間」という）において機械角の推移に伴って、漸増、漸減するような配向磁場および着磁磁場を供給する必要がある。遷移区間で内部磁化が機械角の推移に伴って、漸増、漸減するように分布すれば、遷移区間での表面磁束密度の急激な減少を防止することが出来る。この異方性ボンド磁石は保磁力が高いために、配向磁場は０．５T 以上が必要となる。しかし、上記の各配向方法では配向磁場が小さくなる遷移区間において、０．５T の磁場を供給することは困難であった。

そこで、４極モータに使用される４極磁石に対して、２極モータで使用される２極磁石のアキシャル配向の発展形として考案されている方式（特許文献１）を４極化に展開してみる。４極磁石では、２極配向に比べて配向金型の配向ヨークとして利用できる空間が小さいために、遷移区間においては、十分な配向磁場を供給し難いという問題点がある。

ところで、ボンド磁石の外周面を形成する金型の一部であるダイスリングの材質は、非磁性材であり、金型寿命の向上のために、しばしば非磁性超硬材が使用されている。ダイスリングを非磁性材としたまま単に供給磁場を増加させても、配向金型や装置の大きさを一定とすると、ヨークサイズで最大供給磁場が決まってしまい、ある値以上の磁場が供給できない。そこでヨーク間の周回方向の距離の調整を検討すると以下のようになる。

キャビティにおいて、ラジアル配向をさせる区間の角度範囲を大きくしようとすると、おのずと各ヨークの角度幅が大きくなるために、磁性体のヨーク間の周回方向の距離が近づき過ぎて、ヨーク極間で磁束の短絡が生じる。この結果、キャビティの遷移区間においては有効な磁場が発生しない。このために、遷移区間における配向磁場の大きさが低下してしまう。また、遷移区間のキャビティ外に漏洩する磁場、すなわち、ヨーク極間での短絡を少なくするために、ダイスリングに接するヨークの内周面を径方向に遠ざけて、各ヨーク磁極同士の周回方向の距離を広げることが考えられる。しかしながら、各ヨークの磁極からキャビティまでの距離が大きくなるので、自ずとキャビティ部に発生するラジアル配向の磁束が小さくなる問題点がある。また、ヨークのキャビティの対向面を径方向に後退させずに、ヨーク磁極間の磁束の漏れ（短絡）を嫌ってヨークの角度幅を狭めると、配向ヨークが対向するキャビティの区間は、十分な配向磁場が供給されるものの、配向部の面積が減る。このため、ヨーク極間の距離が離れすぎるため遷移区間の配向磁場が低下し、ボンド磁石において遷移区間に無配向の等方性のデッドスペースが生じる。そのため、トルクが低下する。よって、大トルクと低コギングトルクを満足する磁石を得ることはできない。

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、機械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、機械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。

下記特許文献１は、磁極間の遷移区間においてアキシャル配向とする２極の磁石を示している。しかし、４極のボンド磁石を構成する場合には、上記したように遷移区間の実角度が狭くなり、遷移区間における配向は実際には困難である。まして、遷移区間において異方性希土類磁性体粉末の配向方向を徐々に変化させる思想は開示されていないし、記載の金型構造を用いたのでは、このような配向はできない。

また、下記特許文献２、３は、磁極と磁極の間の遷移区間において、着磁後の表面磁束密度の法線方向成分が機械角の変化に伴って徐々に減少して、徐々に増加する特性としたボンド磁石を開示している。しかし、このような着磁分布を実現しても、ラジアル配向の場合に比べてコギングトルクは小さくなるもののモータの出力は小さいものであった。

図１１に示すように、特許文献２、３によると、金型は、軟磁性体のコア５２とキャビティ５５と非磁性体のリング５３と軟磁性体からなるガイド５１ａ、５１ｂ、非磁性体から成るインサート５４ａ、５４ｂを有する。この成形金型においては、キャビティ５５の外側に成形圧による磨耗に耐えるために非磁性体の超硬材料から成るリング５３が用いられている。このため、遷移区間Ａにおいては、キャビティ５５の外側法線方向の磁路は、非磁性体のリング５３、非磁性体のインサート５４ａ、５４ｂで構成され、全て、非磁性体となるために、キャビティ５５の遷移区間Ａでは、磁場分布を、磁極の中立点に近づくに連れて徐々に円筒側面の周回接線方向を向き、中立点においては円筒側面の周回接線方向となり、中立点から遠ざかる連れて徐々に円筒側面の法線方向を向く分布とすることができない。また、異方性希土類磁性体粉末を用いた場合には、配向に大きな磁場を要する。これらのことから、特許文献２、３では、遷移区間Ａにおける周回方向の配向磁場成分が大きくなく、配向を十分に完了する程、大きくはない。このため、遷移区間Ａでは、配向が不完全となり、等方的配向となっていた。このことが、ラジアル配向の異方性ボンド磁石を用いた場合に比べて、モータの出力が低い原因であった。

今回、成形金型に着目して、配向方法の検討を行なった。上記の従来技術では、遷移区間の磁石外径側金型の材質はすべて非磁性材を用いられており、金型寿命向上を目的としてしばしば非磁性超硬材を使用していた。遷移区間の磁石外径側金型の材質を非磁性材にするということは、キャビティの遷移区間には配向できないことを意味する。

そこで、遷移区間の磁石外径側金型の材質を上記とはまったく逆機能である鉄等の磁性材に単に置換すると、この磁性材部に磁束が流れてしまうと考えられるために、従来まったく使用されてこなかった。

そこで、鋭意検討した結果、遷移区間の磁石外径側金型に磁性材料でかつ、金型材としての強度を有する材料を適用し、その厚さをできるだけ薄くすることにより、積極的にこの磁性材料の磁気飽和をさせ、かつ、非磁性材を用いた場合に比べて、同一キャビティの場合において、磁気回路上のエアーギャップを同時に短くすることができるため、同一キャビティへ供給する磁場を大幅に向上させることができる。その結果、遷移区間において、機械角の推移に伴って、漸増、漸減するような配向磁場を供給することができる。

さらに同様な配向パターン沿って、着磁すると、遷移区間で内部磁化が機械角の推移に伴って、漸増、漸減するような分布することができ、従来デッドスペースであった遷移区間を有効に機能させることができる。そのため遷移区間の表面磁束が機械角の推移に伴って、漸増、漸減するように形成されるため、表面磁束が急激な減少を防止することが出来、大トルクを維持しつつコギングトルクを大幅に減少することが出来る。

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。

特開平６−８６４８４号 特開２００４−２３０８５号 特開２００４−５６８３５号

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、異方性希土類磁性体粉末を樹脂で成形した中空円筒形状の４磁極モータ用異方性ボンド磁石を金型を用いた成形により製造するための配向処理装置において、金型の成形空間に設けられた円柱状の磁性体からなるコアと、該コアの外周部に円筒状に形成され、異方性ボンド磁石原料を充填して成形するための幅０．７ｍｍ〜３ｍｍのキャビティと、キャビティの外周部にコアの中心に向かって配設され、キャビティにおいて法線方向に配向磁場を形成する４分割された磁性体から成る第１ダイスと、ボンド磁石の磁極の向きが変化する遷移区間に対応して、隣接する第１ダイスの間であって、キャビティの外周部にコアの中心に向かって配設された非磁性体から成る４分割された第２ダイスと、４個の第１ダイスに磁束を与えるコイルと、キャビティの外周面を構成する薄肉の円筒状の磁性体から成る磁束誘導部材とから成る配向処理装置である。

上記のコアには、純鉄、ＳＳ４００などの強磁性軟鉄、第１ダイスには、純鉄、ＳＳ４００などの強磁性体、磁束誘導部材には、磁性超硬、粉末ハイス、ハイス材などの強磁性体、第２ダイスには、ＳＵＳ３０４、析出硬化形ステンレス鋼などの非磁性体を用いることができる。

請求項２に記載の発明は、磁束誘導部材の厚さは、１．０〜３．５ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載の配向処理装置である。
請求項３に記載の発明は、磁束誘導部材は、超硬物質から成ることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の配向処理装置である。
請求項４に記載の発明は、キャビティの第２ダイスが存在する区間の配向磁場は０．５Ｔ以上に磁束を誘導することを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の配向処理装置である。

請求項５に記載の発明は、コアの外周面に配設され、キャビティの内周面を構成する円筒状の薄肉の磁性超硬物質から成るリングを有することを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の配向処理装置である。

４分割された磁性体の第１ダイスとコアにより、キャビティにおいて法線方向の磁場を形成することができる。磁極の向きが変化する遷移区間においては、非磁性体の第２ダイスが存在するので、法線方向の磁場は形成され難い。キャビティの外周面を構成する磁性体から成る円筒状の磁束誘導部材が配置されているので、第２ダイスの両側に位置する第１ダイスによりキャビティの法線方向に誘導された磁束は、一部、遷移区間の周回方向にも誘導される。この周回方向に誘導された磁束がキャビティの遷移区間に漏れることになる。このため、キャビティの遷移区間においては、周回方向の成分を有する配向磁場が生じる。この結果、キャビティの遷移区間においては、異方性希土類磁性体粉末の配向方向を、磁極の中立点に近づくに連れて徐々に磁石の円筒側面の周回接線方向を向き、中立点においては円筒側面の周回接線方向となり、中立点から遠ざかるに連れて徐々に円筒側面の法線方向となる分布とすることができる。また、キャビティの遷移区間以外の主としてトルクを生じる区間においては、異方性希土類磁性体粉末の配向方向を法線方向とすることができる。

異方性希土類磁性体粉末をこのようなセミラジアル配向としたボンド磁石を着磁してモータの４磁極用の磁石とすれば、出力が大きくコギングトルクの小さなモータとなる。本発明の製造装置は、このような配向を有した４磁極異方性希土類ボンド磁石を容易に製造することができる。

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。
異方性希土類ボンド磁石は、出願人によって提案された公開番号ｐ２００１−７６９１７Ａ、登録番号第２８１６６６８号の製造方法で作製される磁石であって、例えば、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂからなる磁粉を樹脂成型することにより製造され、１軸方向に強く磁化される磁石である。この磁石は、従来の焼結フェライト磁石と比較して最大エネルギー積（ＢＨ_max ）が４倍以上となる特徴がある。

又、この異方性希土類ボンド磁石は樹脂成形で形成されるので、容易に精度よく形成される。これにより、モータ筐体内周部の永久磁石形状を精度のよい中空円筒形状とすることができる。即ち、永久磁石によるモータ内部磁場を精度の良い回転対称とすることができる。内部磁場の対称性が高精度となるので、中央部の電磁回転体は均一にトルクを受け回転することができる。よって、従来のようなトルクムラによる異音が低減されて、より静粛なモータ装置となる。又、異方性希土類ボンド磁石は中空円筒形状に樹脂成形されるので、モータ装置筐体への組み付けも容易となる。従来のように、分離された４極の焼結フェライト磁石をそれぞれ組み付ける必要がない。即ち、製造工程も容易とする利点がある。

本発明は、中空円筒状の４磁極異方性ボンド磁石の軸に垂直な断面における異方性希土類磁性体粉末の配向方向（異方性希土類磁性体粉末の磁化容易軸が外部から与える配向磁場の向きになるように異方性希土類磁性体粉末を回転させた後の磁化容易軸の向き）の分布を特有なものとする配向処理装置である。本発明の配向処理装置を用いることにより、磁極の周期的な変化を機械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機械角区間においては、断面において、異方性希土類磁性体粉末の配向方向を法線方向とすることができる。そして、磁極の向きが変化する遷移区間においては、図１に示すように、異方性希土類磁性体粉末の配向方向を、磁極の中立点Ｍに近づくに連れて徐々に磁石の円筒側面の周回接線方向を向き、中立点Ｍにおいては円筒側面の周回接線方向となり、中立点Ｍから遠ざかるに連れて徐々に円筒側面の法線方向となる分布とすることができる。

異方性希土類磁性体粉末の配向方向をこのような分布にさせた４磁極異方性ボンド磁石において、さらに、配向方向に着磁することで、配向分布と同一の着磁分布の大きな磁気モーメントを有した４磁極異方性ボンド磁石が得られる。この着磁後の４磁極異方性ボンド磁石の表面磁化ベクトルの分布は、大きさが異なるだけで配向分布と相似となる。又、異方性ボンド磁石は、最大エネルギー積が１４ＭＧＯe 以上であることをが望ましい。さらに、望ましくは、１７ＭＧＯe 以上である。最大エネルギー積がこれらの値を越える場合に、本発明の配向分布の利点を大きく生かすことができ、モータの出力を有効に向上させると共にコギングトルクを減少させることができる。

（第１実施例）
図１は、本発明の具体的な実施の形態に係る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は軸１１に垂直な横断面図である。

図１は、外周肉厚部１２における異方性希土類磁性体粉末の配向方向を示している。機械角（実回転角）で約６７．５度の区間Ｂが主としてトルクを発生する区間である。また、機械角約２２．５度の区間Ａが磁極が変化する遷移区間である。ただし、遷移区間は磁極の向きが法線方向から周回接線方向に向きを変化し始める一応の目安を示す区間の意味であり、この境界で臨界的に磁化ベクトルの周回接線成分が変換するものではない。区間Ｂにおいては、異方性希土類磁性体粉末は円筒側面の法線方向に配向している。また、遷移区間Ａにおいては、図示するように機械角の推移に伴って、異方性希土類磁性体粉末の配向方向は、滑らかに反転する。すなわち、異方性希土類磁性体粉末は、磁極の中立点Ｍに近づくに連れて徐々に磁石の円筒側面の周回接線方向を向き、中立点においては円筒側面の周回接線方向となり、中立点から遠ざかるに連れて徐々に円筒側面の法線方向を向く、配向分布をしている。

磁性体粉末を配向させるための配向磁場を印加して、圧縮成形した後、４磁極異方性ボンド磁石に着磁する。機械角９０度の範囲における着磁後の法線方向の表面磁束密度の変化特性は図２に示す特性となる。図２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、遷移区間Ａにおいては法線方向の表面磁束密度は機械角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。

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。

一方、比較例として、ラジアル配向させたボンド磁石を製造した。寸法は上記実施例のボンド磁石と同一である。図３に、機械角９０度での、ラジアル配向させて着磁したボンド磁石の法線方向の表面磁束密度の変化特性を示す。図３に示すように、ラジアル配向させたボンド磁石では、遷移区間Ａにおいて表面磁束密度の立ち上がりと立ち下がりが急峻となり、立ち上がり付近でピークＰ１、立ち下がり付近でピークＰ２が現れ、区間Ｂの中央部（機械角でπ／４）で谷Ｖ１を有する特性となる。これは、図７に示すように、異方性ボンド磁石の表面に現れる磁荷（磁化）の有限分布により区間Ｂの中央部で最も大きくなる反磁場の影響と考えられる。

ところが、本実施例のセミラジアル配向の場合には、遷移区間Ａにおいて表面磁束密度の立ち上がりと立ち下がりが、ラジアル配向させたボンド磁石の場合に比べて、緩やかとなり、立ち上がり付近のピークＳ１、立ち下がり付近のピークＳ２は、ラジアル配向の場合に比べて、小さくなり、区間Ｂの中央部（機械角でπ／４）で谷Ｕ１が、ラジアル配向の場合に比べて、大きくなる。すなわち、本実施例のセミラジアル配向の場合のピークと谷との差（Ｓ１−Ｕ１）は、ラジアル配向の場合のピークと谷との差（Ｐ１−Ｖ１）よりも小さくなっていることが理解される。また、機械角π／２の範囲における図３に示された表面磁束密度の平均値Ｂ_avに対するピークと谷との差の割合をリップル率と定義すれば、リップル率は、ラジアル配向の場合は、２７％であり、本実施例のセミラジアル配向の場合は、１１％である。４極モータに対して２極モータでのアキシャル配向の発展形として考案されている方式を適用した場合の配向の場合には、１０．４％である。

また、各配向方式の場合の表面磁束密度の平均値Ｂ_AVは、ラジアル配向の場合を１００とすると、本実施例であるセミラジアル配向の場合は１０３である。４極モータに対し２極モータでのアキシャル配向の発展型として提案されている方式の場合には、９５であった。リップル率が大きいと、特性の立ち上がりと立ち下がりが急峻となるので、コギングトルクが大きくなる。コギングトルクが小さくなる範囲としては、リップル率を２０％以下とするのが望ましい。

一方、特許文献２、３の記載された異方性ボンド磁石の着磁後の法線方向の表面磁束密度は図３の曲線Ｅに示す特性となる。これは、従来技術の欄で説明したように、十分な配向磁場が供給されていないため、遷移区間Ａにおいて異方性磁性体粉末の配向がなされていないために、着磁しても磁化ベクトルが小さく、遷移区間Ａにおける表面磁束密度が小さくなることが原因と思われる。

このような機械角π／２の範囲において２つのピークが現れる特性は、異方性ボンド磁石の表面に現れる磁荷（磁化）による反磁場の影響と考えられる。機械角π／２の有限範囲において磁荷（磁化）が一様に分布している場合には、磁荷（磁化）分布の対称性から機械角π／２の区間の中央部が反磁場の影響が最も大きくなるので、図７に示すように、その中央部での表面磁束密度が最も小さくなる。本実施例のセミラジアル配向の場合には、遷移区間Ａにおいては異方性希土類磁性体粉末の配向方向が中立点Ｍに向かうにつれて徐々に周回接線方向を向いているために、ボンド磁石の表面に現れる磁荷（磁化）密度は中立点Ｍに向かうにつれて徐々に小さくなる。この結果、図７に示すように、本発明のセミラジアル配向では、ラジアル配向に比べて、機械角π／２の区間の端部での反磁場、及び中央部での反磁場は小さくなり、両端のピークが小さくなり、中央部の谷は大きくなる結果として、ピークと谷の差が小さくなるものと考えられる。

次に、上記のボンド磁石の配向を圧縮成形時に行う実施例に基づいて説明する。以下、この実施例で製造されるボンド磁石をタイプＡと呼ぶ。図４が装置の平面断面図、図５が装置の縦断面図である。図６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。円筒状の金型３０は、中心部には軟磁性体から成る外径２６ｍｍのコア３２が配設されており、そのコア３２の周囲は強磁性体の磁性超硬材から成る円筒状の内径２６ｍｍ、外径３０ｍｍ、厚さ２ｍｍの第１リング３４が配設されている。そして、その第１リング３４と一定の間隙を設けて、強磁性体の磁性超硬材から成る円筒状の内径３３ｍｍ、外径３７ｍｍ、厚さ２ｍｍの第２リング３６が設けられている。第２リング３６の厚さは２ｍｍ、飽和磁束密度を０．３Ｔである。第１リング３４と第２リング３６との間に、樹脂成形のための厚さ１．５ｍｍのキャビティ３５が形成されている。このキャビティ３５に磁性体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。

第２リング３６の外側には、４分割された扇形の強磁性体から成る第１ダイス３８ａ、３８ｂ、３８ｃ、３８ｄと、各第１ダイス間に設けられた扇形のステンレス等の非磁性体から成る第２ダイス４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄが設けられている。これらの部材により金型３０が形成されている。第２リング３６と４分割された扇形の強磁性体から成る第１ダイス３８ａ、３８ｂ、３８ｃ、３８ｄとの各接合面の軸に垂直な断面における円弧長は約２３ｍｍである。また、第１リング３４と４分割された扇形の非磁性体から成る第２ダイス４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄとの各接合面の軸に垂直な断面における円弧長は約６ｍｍである。

金型３０の外側には、円形のポールピース４２が配設されており、そのポールピース４２は４３ａ、４３ｂ、４３ｃ、４３ｄの４区画を有しており、各区画の間にコイルを巻くためのスペース４４ａ、４４ｂ、４４ｃ、４４ｄが形成されている。隣接する２つのスペース、例えば、４４ａと４４ｂとに、その間の区画４３ａを内包するようにコイル４６ａが巻かれる。

上記の構成において、コイル４６ａに電流を流すことによりポールピース４３ａの表面がＮ極となる磁束を発生させ、コイル４６ｂに電流を流すことによりポールピース４３ｂの表面がＳ極となる磁束を発生させ、コイル４６ｃに電流を流すことによりポールピース４３ｃの表面がＮ極となる磁束を発生させ、コイル４６ｄに電流を流すことによりポールピース４３ｄの表面がＳ極となる磁束を発生させることができる。

ポールピース４２、４つの第１ダイス３８、第２リング３６、第１リング３４、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。第１ダイス３８の透磁率は、第２ダイス４０の透磁率に比べて遥かに大きい。このために、配向磁場は図６に示すように形成される。図８に示すように、キャビティ３５における法線方向の磁場成分Ｂr 、周回接線方向の磁場成分はＢθで表される。この時、磁性体の第２リング３６が設けられているため、配向磁場の一部は、第２リング３６に沿って誘導されて、非磁性体の第２ダイス４０の側にも回り込み、この磁束の一部がキャビティ３５に漏れる。すなわち、キャビティ３５においては、遷移区間Ａにおいて周回接線方向の配向磁場Ｂθが形成されることになる。この結果、異方性希土類磁性体粉末の配向を、磁極の向きが変化する遷移区間においては、磁極の中立点に近づくに連れて徐々に円筒側面の周回接線方向を向き、中立点においては円筒側面の周回接線方向となり、中立点から遠ざかる連れて徐々に円筒側面の法線方向を向く配向分布とした４磁極のボンド磁石を得ることができる。また、配向磁場の絶対値Ｂは図９の曲線Ｗ１で示す特性となる。遷移区間Ａにおいて、配向磁場０．５Ｔ以上が得られているのが理解される。一方、特許文献２、３で示されているように、第２リング３６を非磁性体とした場合には、キャビティ内の磁場の絶対値Ｂは、図９の曲線Ｗ２に示す特性となる。遷移区間Ａにおける磁場の絶対値Ｂが、本願発明の場合に比べて明らかに低下しており、異方性希土類ボンド磁石の配向に必要な０．５Ｔが得られていないことが理解される。特に、図８に示す測定点Ｒ４において、０．５Ｔが得られている。なお、軸方向の両側から磁場を印加して得られるラジアル配向の場合には、図９の曲線Ｗ３に示すように、全域に渡り一定の配向磁場Ｂが得られていることが理解される。

上記の構成において、円弧状の第２ダイス４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄの軸１１を中心とする角度、およそ２２．５度の区間が図１の遷移区間Ａに相当する。また、第１ダイス３８ａ、３８ｂ、３８ｃ、３８ｄの軸１１を中心とする角度、およそ６７．５度の区間が、図１の区間Ｂに相当する。このような構成により図１に示すような異方性希土類磁性体粉末の配向を得ることができる。このように配向させたボンド磁石を着磁させれば、図２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。

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。

その他、異方性希土類ボンド磁石の材料は、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂの他、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系材料、例えばＮｄとＮｄの他の希土類元素を含んだり、その他の添加元素を含んだ材料を用いることができる。更に、Ｎｄ以外の希土類元素を含んだ材料、例えば、Ｓｍ−Ｆｅ−Ｎ系材料、ＳｍＣｏ系材料、または、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系材料とこれらの混合物質を用いることができる。この磁石は、従来の焼結フェライト磁石と比較して最大エネルギー積（ＢＨ_max ）が４倍以上となる特徴がある。即ち、標準的な焼結フェライト磁石２３の最大エネルギー積（ＢＨ_max ）３．５ＭＧＯe に対して、その約４倍の１４ＭＧＯe 以上の最大エネルギー積を有する。これはモータトルクを従来と同等とすれば（トルク同一条件）、永久磁石の厚さを例えば約１／４に縮小できる可能性があることを意味する。

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１〜２５０μｍ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。磁性体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。

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、成形の条件は、金型温度を１２０℃、成形圧力を３．０ｔ／ｃｍ² 、成形時間を１５ｓｅｃ、磁極周期の主たる区間における配向磁場を０．８０Ｔ、磁極の向きが変化する遷移区間Ａにおける配向磁場（図８の測定点Ｒ４での値）が０．７０Ｔとした。遷移区間Ａにおける配向磁場の測定は、図８に示す位置で行った。キャビティ３５の周回方向の中心線をＬ１とし、第２ダイス４０ａの中心線Ｌ３、第２ダイス４０ａの角の点Ｒ３における法線をＬ２とする。法線Ｌ２と中心線Ｌ１との交点をＲ３とし、法線Ｌ３と中心線Ｌ１との交点をＲ１とする。中心線Ｌ１上で点Ｒ１とＲ３との中点Ｒ４における磁場をホール素子で測定した。なお、中点Ｒ４での角度位置は図９の特性では、３９．３７５度の位置、図２の特性では、８４．３７５度の位置に対応する。

次に、第２リング３６の厚さを２ｍｍ、飽和磁束密度を１．６Ｔ、キャビティ３５の幅を１．５ｍｍとして、異方性ボンド磁石を製造した。以下、このボンド磁石をタイプＢという。この場合には、図８の点Ｒ４における配向磁場は０．８Ｔであった。

配向の仕方は先に記述した通りである。着磁は次のように行った。着磁ヨークとして、円筒状のボンド磁石の内側に軟磁性コア、外側に軟磁性ヨークを配置した。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。

次に、タイプＡのボンド磁石に関して、磁石のＢＨ_max が２２ＭＧＯｅで保磁力が１４ｋＯｅの異方性希土類ボンド磁石と、ＢＨ_max が２１ＭＧＯｅで保磁力が１７ｋＯｅのセミラジアル配向の異方性希土類ボンド磁石を２種類製造した。

また、比較例として、第２リング３６の厚さを４ｍｍ、飽和磁束密度を０．３０Ｔ、キャビティ３５の幅を１．５ｍｍとすると、図８の点Ｒ４における配向磁場は０．４５Ｔと低下した。つまり、第２リング３６が磁性体で構成されていても、第２リング３６の厚さを厚くすると、キャビティ３５の遷移区間Ａにおける磁場は小さいことが理解される。

同様に、第２リング３６を非磁性体とした従来例のボンド磁石を製造した。第２リング３６に対応する非磁性リングの厚さを２ｍｍ、飽和磁束密度を０Ｔ、キャビティ３５の幅を１．５ｍｍとした場合には図８の点Ｒ４における配向磁場は０．４８Ｔであった。第２リング３６に対応する非磁性リングの厚さを２ｍｍ、飽和磁束密度を０Ｔ、キャビティ３５の幅を１．５ｍｍとして、軸方向から磁場を印加させるラジアル配向の場合には、図８の点Ｒ４における配向磁場は０．８０Ｔであった。上記の配向磁場はトルクを生じる主たる区間Ｂにおけるキャビティ３５の磁場が０．８０Ｔとなるように、印加磁場の大きさを決定した。

上記のタイプＡのボンド磁石と、ラジアル配向のボンド磁石とを、それぞれ、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％とした場合に、本実施例のセミラジアル配向を用いたボンド磁石のモータの出力トルクは９９．６％、コギングトルクは５２．０％であった。

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、ラジアル配向の磁石を用いたモータに対して、出力トルクは９９．６％と低下させることなく、コギングトルクは５２．０％に大幅に低下させることができた。即ち、同一の出力トルクを得て、コギングトルクだけを５２．０％に低下させることができた。これにより、高出力トルクの保持とコギングトルクの減少とを両立させるというモータの性能にとって極めて有効な改善である。

作成した本実施例のタイプＡに係る４磁極異方性希土類ボンド磁石を用いた４極ＤＣブラシモータの寸法や特性値を、ラジアル配向の従来例と共に表１に示す。磁石の大きさは内径が３０ｍｍ、外径が３３ｍｍ、厚さが１．５ｍｍ、長さが３０ｍｍ、バックヨークは内径３３ｍｍ、外径３７ｍｍ、厚さ２ｍｍ、長さ３７ｍｍである。バックヨークの材質はＳＰＣＣ、アーマチャ材質はケイ素鋼板、コイルの巻き方は、分布巻、定格、電流値は４．６Ａである。

また、本発明のボンド磁石を用いたモータのトルクと回転数との関係を従来例のラジアル配向のボンド磁石を用いたモータの特性と共に図１０に示す。本実施例のセミラジアル配向の異本性希土類ボンド磁石を用いたモータは、ラジアル配向のボンド磁石を用いたモータに比べて特性の劣化が見られないことが理解される。

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。

又、上記実施例では、機械角にして約３π／８の範囲Ｂを主としてトルクを発生する機械角区間とし、機械角にして約π／８の範囲Ａを磁極が変化する遷移区間としている。しかし、遷移区間は機械角にして約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機械角区間とする。

本発明の処理装置により製造された異方性希土類ボンド磁石は、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。

本発明による配向処理装置を用いて製造された４磁極異方性希土類ボンド磁石は、出力能力を低下させることなく、コギングトルクを減少させたモータに用いることができる。

本発明の具体的な実施の形態に係る配向処理装置により製造されたボンド磁石における異方性希土類磁性体粉末の配向分布を示した横断面図。 同装置により製造されたボンド磁石の法線方向の表面磁束密度と周回角度との関係を示した特性図。 同装置により製造されたセミラジアル配向のボンド磁石とラジアル配向のボンド磁石の法線方向の表面磁束密度と周回角度との関係及び配向及び着磁ベクトルの関係を示した特性図。 本発明の実施の形態に係る異方性希土類ボンド磁石の配向処理装置の横断面図。 本発明の実施の形態に係る異方性希土類ボンド磁石の配向処理装置の縦断面図。 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。 ボンド磁石の配向分布を説明するための説明図。 金型のキャビティ内の配向磁場の測定点を示した説明図。 配向磁場の大きさの特性を従来例の配向特性と共に示した特性図。 本発明の装置により製造されたボンド磁石を用いたモータのトルクと回転数との関係を従来例と共に示した特性図。 従来例による配向装置のボンド磁石の軸に垂直な断面図。

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
３２…コア
３４…第１リング
３５…キャビティ
３６…第２リング
３８ａ、３８ｂ、３８ｃ、３８ｄ…第１ダイス
４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄ…第２ダイス
４４ａ、４４ｂ、４４ｃ、４４ｄ…スペース
４６ａ、４６ｂ、４６ｃ、４６ｄ…コイル
５１ａ、５１ｂ…ガイド
５４ａ、５４ｂ…インサート
５５…キャビティ

Claims (5)

1. 異方性希土類磁性体粉末を樹脂で成形した中空円筒形状の４磁極モータ用異方性ボンド磁石を金型を用いた成形により製造するための配向処理装置において、
   前記金型の成形空間に設けられた円柱状の磁性体からなるコアと、
   該コアの外周部に円筒状に形成され、異方性ボンド磁石原料を充填して成形するための幅０．７ｍｍ〜３ｍｍのキャビティと、
   該キャビティの外周部に前記コアの中心に向かって配設され、前記キャビティにおいて法線方向に配向磁場を形成する４分割された磁性体から成る第１ダイスと、
   前記ボンド磁石の磁極の向きが変化する遷移区間に対応して、隣接する前記第１ダイスの間であって、前記キャビティの外周部に前記コアの中心に向かって配設された非磁性体から成る４分割された第２ダイスと、
   ４個の前記第１ダイスに磁束を与えるコイルと、
   前記キャビティの外周面を構成する薄肉の円筒状の磁性体から成る磁束誘導部材と
   から成る配向処理装置。
2. 前記磁束誘導部材の厚さは、１．０〜３．５ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載の配向処理装置。
3. 前記磁束誘導部材は、超硬物質から成ることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の配向処理装置。
4. 前記キャビティの前記第２ダイスが存在する区間の配向磁場は０．５Ｔ以上に磁束を誘導することを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の配向処理装置。
5. 前記コアの外周面に配設され、前記キャビティの内周面を構成する円筒状の薄肉の磁性超硬物質から成るリングを有することを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の配向処理装置。

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