JP2007244168A - 多層構造磁石ロータ - Google Patents

Abstract

【課題】高（ＢＨ）_maxラジアル異方性磁石モータの実用化への障害要因は、１）既存磁石モータに対する価値（性能対コスト）の脆弱性、２）減磁耐力などの耐久性、３）静音性の悪化、停止位置精度の低下による。
【解決手段】本発明は磁石ロータの少なくとも磁極間に回転方向磁化成分を付与するものである。具体的には、磁石厚に対する回転方向磁化成分の割合を３０％以上、より好ましくは５０％とした多層構造磁石ロータである。加えて、磁石厚さ方向で磁極間の回転方向磁化成分の割合を磁極数に対応し、回転方向に規則的に変化させた多層構造磁石ロータとすることもできる。好ましくは、回転方向、並びにラジアル方向の最大エネルギー積（ＢＨ）_maxが１４０ｋＪ／ｍ³以上のＳｍ₂Ｆｅ₁₇Ｎ₃系希土類微粒子とＮｄ₂Ｆｅ₁₄Ｂ系希土類粒子からなる多層構造の異方性希土類ボンド磁石で構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は少なくとも磁極間に回転方向磁化成分を付与したラジアル異方性磁石ロータに関する。更に詳しくは、当該ロータの表面磁束密度分布を正弦波状に近づけると共に、磁束密度の増加、不可逆減磁の低減などラジアル異方性磁石モータの高性能化技術に関する。

１９８５年、Ｒ．Ｗ．Ｌｅｅらは（ＢＨ）_max１１１ｋＪ／ｍ³のメルトスパン粉末をエポキシ樹脂で固めた（ＢＨ）_max７２ｋＪ／ｍ³の等方性Ｎｄ₂Ｆｅ₁₄Ｂボンド磁石を報告した［１］Ｒ．Ｗ．Ｌｅｅ，ｅｔ ａｌ，ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ｍａｇｎ．，２１，１９５８，（１９８５）］）（非特許文献１参照）。１９８６年に本発明者ら［特開昭６２−１９６０５７号公報］、１９８８年、Ｔ．Ｓｉｍｏｄａにより前記磁石と小口径化すると配向磁界の低下によって（ＢＨ）_maxが低下するラジアル磁気異方性Ｓｍ−Ｃｏ系ボンド磁石のモータ特性を比較し、前者が有用とした［Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔｓ
１９８８ ｕｐｄａｔｅ，Ｗｈｅｅｌｅｒ Ａｓｓｏｃｉａｔｅ ＩＮＣ，（１９８８）］。その後、１９８９年Ｗ．Ｂａｒａｎ［Ｔｈｅ ｅｕｒｏｐｅａｎ ｂｕｓｉｎｅｓｓ ａｎｄ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｏｕｔｌｏｏｋ ｆｏｒ ＮｄＦｅＢ ｍａｇｎｅｔｓ，１１（１９８９）］、１９９０年Ｇ．Ｘ．Ｈｕａｎｇ［Ｇ．Ｘ．Ｈｕａｎｇ，ｅｔ ａｌ，Ｐｒｏｃ．１１ｔｈ Ｉｎｔ．Ｗｏｒｋｓｈｏｐ ｏｎ Ｒａｒｅ−Ｅａｒｔｈ Ｍａｇｎｅｔｓ ａｎｄ Ｔｈｅｉｒ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｐｉｔｔｓｂｕｒｇｈ，５８３，（１９９０）］（特許文献１、非特許文献２、３、４参照）。Ｈ．Ｋａｓａｉ ［Ｙ．Ｋａｓａｉ，Ｐｏｌｙｍｅｒ ｂｏｎｄｅｄ ｍａｇｎｅｔｓ’９２，Ｅｍｂａｓｓｙ Ｓｕｉｔｅ Ｏ’Ｈａｒｅ−Ｒｏｓｅｍｏｎｔ，Ｉｌｌｉｎｏｉｓ，（１９９２）］らにより、ＰＭステッピングモータ、ＤＣモータ、ＢＬ（ブラシレス）モータの小型化、高出力化に等方性Ｎｄ₂Ｆｅ₁₄Ｂボンド磁石が有用との報告が相次いでされた（非特許文献５参照）。よって、１９９０年代から、ＰＣおよびその周辺機器を中心とした小型モータの高性能化のための磁石として（ＢＨ）_max〜８０ｋＪ／ｍ³の等方性Ｎｄ₂Ｆｅ₁₄Ｂボンド磁石が広く普及した［Ｓ．Ｈｉｒｏｓａｗａ，ｅｔ ａｌ，Ｊ．Ｍａｇｎ．Ｓｏｃ．Ｊａｐａｎ，２１，１６０（１９９７）］（非特許文献６参照）。

しかし、仮に小口径化してもラジアル方向の（ＢＨ）_maxが低下せず、且つ高い生産性が実現すればモータの更なる高出力化、小型軽量化、薄型化、低消費電流化、省資源化などのために高（ＢＨ）_maxラジアル異方性磁石のモータへの応用と普及が期待される。
上記背景に鑑み、本発明者らは希土類磁石粉末を固定するオリゴマーとポリマーとをケミカルコンタクトで自己組織化し、架橋間巨大分子を含む垂直磁気異方性薄板磁石を作製し、延伸による架橋間巨大分子の配向で生じる可撓性を制御し、面垂直方向からラジアルに異方性の方向を転換する希土類ボンド磁石の作製法を試みた。例えばＲＤ（Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ）−Ｓｍ₂Ｆｅ₁₇Ｎ₃微粉末［Ａ．Ｋａｗａｍｏｔｏ，Ｔ．Ｉｓｈｉｋａｗａ，Ｓ．Ｙａｓｕｄａ，Ｋ．Ｔａｋｅｙａ，Ｋ．Ｉｓｈｉｚａｋａ，Ｔ．Ｉｓｅｋｉ，Ｋ．Ｏｈｍｏｒｉ，”Ｓｍ₂Ｆｅ₁₇Ｎ₃ ｍａｇｎｅｔ ｐｏｗｄｅｒ
ｍａｄｅ ｂｙ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ”，ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ｍａｇｎ．，Ｖｏｌ．３５，ｐｐ．３３２２−３３２４，（１９９９）］でＨＤＤＲ−（Ｈｙｄｒｏｇｅｎａｔｉｏｎ，Ｄｉｓｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｔｉｏｎ，Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ，ａｎｄ Ｒｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ）−Ｎｄ₂Ｆｅ₁₄Ｂ粒子［Ｔ，Ｔａｋｅｓｈｉｔａ，ｅｔ ａｌ，Ｐｒｏｃ．ｏｆ ｔｈｅ １０ｔｈ Ｉｎｔ．ｗｏｒｋｓｈｏｐ ｏｎ Ｒａｒｅ−Ｅａｒｔｈ Ｍａｇｎｅｔｓ ａｎｄ Ｔｈｅｉｒ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｋｙｏｔｏ，ｖｏｌ．１，５５１（１９８９）］
を隔離しながら、既存の熱硬化性樹脂成形材料と同等の２０〜５０ＭＰａの低圧力で圧縮成形すると、結合剤を含む相対密度９８％以上のフル密度薄板磁石が得られた（非特許文献７、８参照）。とくに、この方法では、成形加工でのＨＤＤＲ−Ｎｄ₂Ｆｅ₁₄Ｂ粒子の新生面や表面欠陥の生成が抑制され、１５０ｋＪ／ｍ³を越える（ＢＨ）_maxが得られると共に、１２０℃までの初期不可逆減磁率が異方性Ｎｄ₂Ｆｅ₁₄Ｂボンド磁石の１／２以下まで良化される［例えば、山下文敏、堤慎一、豊田英嗣、福永博俊、“分子鎖配向を利用したラジアル異方性希土類ボンド磁石”、電気学会（Ａ）基礎材料共通部門誌、Ｖｏｌ．１２４，Ｎｏ．１０，ｐｐ．８５７−８６２（２００４）］（非特許文献９参照）。
特開昭６２−１９６０５７号公報 Ｒ．Ｗ．Ｌｅｅ，ｅｔ ａｌ，ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ｍａｇｎ．，２１，１９５８，（１９８５） Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔｓ １９８８ ｕｐｄａｔｅ，Ｗｈｅｅｌｅｒ Ａｓｓｏｃｉａｔｅ ＩＮＣ，（１９８８） Ｗ．Ｂａｒａｎ，Ｔｈｅ ｅｕｒｏｐｅａｎ ｂｕｓｉｎｅｓｓ ａｎｄ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｏｕｔｌｏｏｋ ｆｏｒ ＮｄＦｅＢ ｍａｇｎｅｔｓ，１１（１９８９） Ｇ．Ｘ．Ｈｕａｎｇ，ｅｔ ａｌ，Ｐｒｏｃ．１１ｔｈ Ｉｎｔ．Ｗｏｒｋｓｈｏｐ ｏｎ Ｒａｒｅ−Ｅａｒｔｈ Ｍａｇｎｅｔｓ ａｎｄ Ｔｈｅｉｒ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｐｉｔｔｓｂｕｒｇｈ，５８３，（１９９０） Ｙ．Ｋａｓａｉ，Ｐｏｌｙｍｅｒ ｂｏｎｄｅｄ ｍａｇｎｅｔｓ’９２，Ｅｍｂａｓｓｙ Ｓｕｉｔｅ Ｏ’Ｈａｒｅ−Ｒｏｓｅｍｏｎｔ，Ｉｌｌｉｎｏｉｓ，（１９９２） Ｓ．Ｈｉｒｏｓａｗａ，ｅｔ ａｌ，Ｊ．Ｍａｇｎ．Ｓｏｃ．Ｊａｐａｎ，２１，１６０（１９９７） Ａ．Ｋａｗａｍｏｔｏ，Ｔ．Ｉｓｈｉｋａｗａ，Ｓ．Ｙａｓｕｄａ，Ｋ．Ｔａｋｅｙａ，Ｋ．Ｉｓｈｉｚａｋａ，Ｔ．Ｉｓｅｋｉ，Ｋ．Ｏｈｍｏｒｉ，"Ｓｍ2Ｆｅ17Ｎ3 ｍａｇｎｅｔ ｐｏｗｄｅｒ ｍａｄｅ ｂｙ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ"，ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ｍａｇｎ．，Ｖｏｌ．３５，ｐｐ．３３２２−３３２４，（１９９９） Ｔ．Ｔａｋｅｓｈｉｔａ，ｅｔ ａｌ，Ｐｒｏｃ．ｏｆ ｔｈｅ １０ｔｈ Ｉｎｔ．ｗｏｒｋｓｈｏｐ ｏｎ Ｒａｒｅ−Ｅａｒｔｈ Ｍａｇｎｅｔｓ ａｎｄ Ｔｈｅｉｒ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｋｙｏｔｏ，ｖｏｌ．１，５５１（１９８９） 山下文敏、堤慎一、豊田英嗣、福永博俊、"分子鎖配向を利用したラジアル異方性希土類ボンド磁石"、電気学会（Ａ）基礎材料共通部門誌、Ｖｏｌ．１２４，Ｎｏ．１０，ｐｐ．８５７−８６２（２００４）

本発明にかかる多層構造多極磁石ロータで不可欠な可撓性を有する厚膜磁石の研究開発の現況はＪ．Ｔｏｐｆｅｒらの厚さ４００−８００μｍ、（ＢＨ）_max４０ｋＪ／ｍ³がある［Ｊ．Ｔｏｐｆｅｒ，Ｂ．Ｐａｗｌｏｗｓｋｉ，“Ｔｈｅｒｍａｌ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｒａｒｅ−ｅａｒｔｈ ｍａｇｎｅｔ ｔｈｉｃｋ ｆｉｌｍ”，ＩＣＭ ２００３−Ｒｏｍａ，Ｉｔａｌｙ，（２００３），５Ｐ−ｐｍ−０６］。しかし、フェライト焼結磁石並の（ＢＨ）_maxで、８０ｋＪ／ｍ³の等方性Ｎｄ₂Ｆｅ₁₄Ｂ磁石に及ばず、当該磁石モータの高性能化には、例えば（ＢＨ）_max≧１４０ｋＪ／ｍ³の磁石が必要である。

上記理由は、異なる磁石の（ＢＨ）_maxの比の平方根がモータにおける磁石と鉄心との空隙磁束密度の概ねの比となるためである。例えば（ＢＨ）_maxが１４０と８０ｋＪ／ｍ³
の磁石では空隙磁束密度の比は略１．３２倍と予測される。

本発明者らは、１４０ｋＪ／ｍ³を越える（ＢＨ）_maxとともに、１２０℃までの初期不可逆減磁率が異方性Ｎｄ₂Ｆｅ₁₄Ｂボンド磁石の１／２以下、等方性Ｎｄ₂Ｆｅ₁₄Ｂ磁石並まで良化したラジアル磁気異方性磁石［例えば、山下文敏、“自己組織化ラジアル異方性希土類ボンド磁石の作製とその特性”、日本応用磁気学会誌、Ｖｏｌ．２９，ｐｐ．１８５−１９１（２００５）］を、例えば１５−５０Ｗの家電空調機器、情報関連エネルギー消費機器に使用されるようなラジアル異方性磁石モータとして検討したが実用化に至っていない。

実用化の障害要因は１）既存磁石に比べたモータ価値（性能対コスト）の脆弱性、２）１２０℃での逆磁界に対する減磁耐力などの耐久性、３）コギングトルク増大に伴う騒音振動の増加など静音性の悪化、或いは停止位置精度の低下などが挙げられる。

なお、コギングトルクとは磁石と対向する鉄心の外周表面にティースとスロットが存在するためロータの回転に伴って鉄心とのパーミアンス係数Ｐｃが変化することによるトルク脈動である。

そこで、本発明の目的は、例えば１５−５０Ｗ家電空調、情報関連エネルギー消費機器に使用されるようなモータに対するラジアル異方性磁石適用への障害を技術的に排除し、省電力化、小型化した新形態の磁石モータの普及による社会貢献にある。

具体的には、１）磁石の多層化による希土類磁石粉末のモータへの投入量削減による価格競争力の強化、２）１００〜１２０℃高温暴露下の逆磁界による減磁耐力を高めることができる高パーミアンス化、３）静音化や位置制御の高精度化のために空隙磁束密度分布の正弦波状化、４）モータ損失削減など高効率化によるラジアル異方性磁石モータのモータ価値（性能対コスト）の脆弱性を排除することにある。

本発明は磁石ロータの少なくとも磁極間に回転方向磁化成分を付与するものである。具体的には、磁石厚に対する回転方向磁化成分の割合を３０％以上、より好ましくは５０％とした多層構造磁石ロータである。加えて、磁石厚さ方向で磁極間の回転方向磁化成分の割合を磁極数に対応し、回転方向に規則的に変化させた多層構造磁石ロータとすることもできる。好ましくは、回転方向、並びにラジアル方向の最大エネルギー積（ＢＨ）_maxが１４０ｋＪ／ｍ³以上のＳｍ₂Ｆｅ₁₇Ｎ₃系希土類微粒子とＮｄ₂Ｆｅ₁₄Ｂ系希土類粒子からなる多層構造の異方性希土類ボンド磁石で構成する。

本発明は、少なくとも磁極間において、磁石厚に対する回転方向磁化成分（面内異方性層）の割合を３０％以上、好ましくは５０％とした多層構造磁石ロータである。加えて、磁石厚さ方向で磁極間の回転方向磁化成分の割合を磁極数に対応し、回転方向に規則的に変化させた多層構造磁石ロータとすることもできる。好ましくは、回転方向、並びにラジアル方向の最大エネルギー積（ＢＨ）_maxが１４０ｋＪ／ｍ³以上のＳｍ₂Ｆｅ₁₇Ｎ₃系希土類微粒子とＮｄ₂Ｆｅ₁₄Ｂ系希土類粒子からなる多層構造の異方性希土類ボンド磁石で構成する。

以上のように、本発明にかかる、少なくとも磁極間において回転方向磁化成分（面内異方性層）を設けた構成の多層構造磁石ロータはハルバッハ磁石ロータのように、磁石の内径と外径との比が０．４を越えても、回転方向磁化成分（面内異方性層）の効果によって発生磁束密度の減少や、磁極間での磁束密度分布が急激に変化しにくい構造とすることが
できる。このため、磁石の薄肉（厚膜）化が可能となり、結果として高価な希土類磁石材料の投入量の削減による省資源化、価格競争力の強化が図れる。また、磁極間の回転方向磁化成分（面内異方性層）により磁極中心からの磁路が長くなるため、高パーミアンス化が図れる。したがってモータの高出力化や減磁耐力の向上が図れる。加えて、表面磁束密度分布が正弦波状となるため、静音化や位置制御の高精度化が図れる。

以上のように、本発明にかかる（ＢＨ）_max≧１４０ｋＪ／ｍ³で、しかも磁極間に回転方向磁化成分（面内異方性層）を含む多層構造磁石ロータは、とくに１５−５０Ｗの家電空調機器、情報関連エネルギー消費機器などに使用されるモータの小型化、高効率化による省資源、省エネルギー促進への貢献が期待できる。

なお、実施例ではＳｍ₂Ｆｅ₁₇Ｎ₃／Ｎｄ₂Ｆｅ₁₄Ｂ多層構造磁石を基に本発明にかかる多層構造磁石ロータを開示したが、例えばＳｍ₂Ｆｅ₁₇Ｎ₃の代替としてＳｍＣｏ₅系微粉末など、Ｎｄ₂Ｆｅ₁₄Ｂの代替としてＳｍ₂ＴＭ₁₇（ＴＭはＣｏ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｚｒなどの遷移金属）粒子などを適用できるのは言うまでもない。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を用いて説明する。

図１は本発明にかかる多層構造磁石の概念図である。ただし、図中の独立した六角形は、例えば単磁区粒子型のＳｍ₂Ｆｅ₁₇Ｎ₃微粉末の結晶粒、集合した六角形は多結晶集合型Ｎｄ₂Ｆｅ₁₄Ｂ粒子の結晶粒を表し、それらに示す矢印は磁化容易軸とその方向を示している。また、図中１は面内異方性層、２は境界層、２−１と２−２は面内並びに面垂直異方性クラスター、３は面垂直異方性層、Ｘは延伸方向を示している。

本発明は、例えば、面内異方性層１、面内並びに面垂直異方性クラスター２−１および２−２が混在する境界層２、面垂直異方性層３を配した３層構造で全体の厚さが９００μｍ程度の多層構造磁石０である。或いはまた、境界層２をなくし、面垂直異方性層１と面垂直異方性層３とで多層構造磁石０とした構成であっても差支えない。

本発明にかかる上記のような多層構造磁石０は結合剤の自己組織化によって生成した架橋間巨大分子を含ませる。そして、多層構造磁石０に含まれる架橋間巨大分子を、例えば図中のＸ方向に延伸する。

図２は圧延による架橋間巨大分子の延伸の概念図である。図中０は圧延前の多層構造磁石、０’は圧延後の多層構造磁石、Ｒは等速圧延ロール、Ｘは延伸方向を表している。このような圧延により面内並びに面垂直異方性の方向を、それぞれ周方向、並びにラジアル方向に転換するには、例えば３〜５％の圧下率でよい。また、多層構造磁石０の厚さを１３５０μｍ以下とすると（ＢＨ）_maxに代表される磁気特性を維持することができる。

図３は多層構造磁石０の多極着磁の概念図である。図において、１は面内異方性層、２は境界層、３は面垂直異方性層、ＮとＳは多極着磁した磁極、＝は磁化容易軸とその方位、矢印は多極着磁磁石内の磁化分布を示す。図のように、本発明にかかる多層構造磁石０が面垂直異方性層３、境界層２、面内異方性層１で構成した場合、磁極Ｎ、Ｓは面垂直異方性層３側に設ける。そして、磁極Ｓから３から２、２から１、１から２、２から３を伝って磁極Ｎに向かうように磁化する。すると、磁極Ｎ、Ｓの中心の磁路が最長となり、磁極Ｎ、Ｓの中心から外れるにしたがって磁路が短く、表面磁束密度分布は正弦波状に近づく。

以上のような正弦波状の磁化分布をもつ多層構造多極磁石における好適な多極着磁方法
としては、多極着磁した後に、面内並びに面垂直異方性の方向を、それぞれ周方向、並びにラジアル方向に転換することが望ましい。

上記のような本発明にかかる多層構造磁石の具体的な多極着磁について以下に図面を用いて詳しく説明する。

図４は多極着磁ヨークにより発生する面内方向パルス磁界成分Ｈｘと垂直方向パルス磁界成分Ｈｙの分布を示す特性図である。ただし、磁極間距離８．６ｍｍ、磁極幅１．７ｍｍに励磁巻線（導体径２ｍｍ×４ｔｕｒｎ／ｃｏｉｌ）を配置した平面着磁器に通電（波高値Ｉｐ２５ｋＡ）して発生させたパルス磁界分布である。

図４のように各磁極の中心は垂直異方性層３に作用する垂直方向着磁界Ｈｙがピークとなり、その値は約２．５ＭＡ／ｍに達する。一方、磁極間では面内異方性層１に作用するＨｘがＨｙを上回り、その値は１．５ＭＡ／ｍを越えると見積もられる。

図５は本発明にかかるＳｍ₂Ｆｅ₁₇Ｎ₃／Ｎｄ₂Ｆｅ₁₄Ｂ多層構造磁石０と等方性Ｎｄ₂Ｆｅ₁₄Ｂ磁石の（ＢＨ）_maxの着磁界ＭＡ／ｍ依存性を示す特性図である。図のようにＳｍ₂Ｆｅ₁₇Ｎ₃／Ｎｄ₂Ｆｅ₁₄Ｂ多層構造磁石０の各層においてＣ軸が磁化（多極着磁）方向と角度θをなす場合は、角度θに応じて当該磁石の保磁力（約１ＭＡ／ｍ）の１／ｃｏｓθ倍の着磁界Ｈｍが必要となる。しかしながら、磁化容易軸（Ｃ軸）方向の磁化、すなわち各層における異方性方向への磁化では着磁界Ｈｍが約１．４ＭＡ／ｍ以上で（ＢＨ）_max１４０ｋＪ／ｍ³を越える磁化が得られる。それらの値は等方性Ｎｄ₂Ｆｅ₁₄Ｂ磁石の（ＢＨ）_max約８０ｋＪ／ｍ³の１．７５〜２倍に達する。加えて、多極着磁の磁路は面内方向（最終的には周方向）磁化によるものであるから、パーミアンス係数は等方性Ｎｄ₂Ｆｅ₁₄Ｂ磁石に比べて高く、更に高い磁束が正弦波状の分布で得られるのである。

以上のように多極着磁方法を最適化すれば、図３のような本発明にかかる多層構造磁石０の多極着磁状態が得られる。

なお、磁極数と磁極間距離はモータ設計思想に委ねられる。

上記のような多極着磁を施した多層構造磁石０の面内並びに面垂直異方性の方向を、本発明では、それぞれ周方向、並びにラジアル方向に転換し、例えば回転軸を備えた非磁性部材に固定した構成の多層構造多極磁石ロータとする。

図６は、従来のラジアル異方性磁石モータ（ａ）、ハルバッハ磁石モータ（ｂ）との比較において、本発明にかかる８極の多層構造磁石ロータ（ｃ）を鉄心と組合せた断面構造図を示す。図において、４ａ−１は従来のラジアル異方性磁石、４ｂ−１はハルバッハ磁石、４ｃ−１は多極着磁した後、面内並びに面垂直異方性の方向を、それぞれ回転方向、並びにラジアル方向に転換した構成の多層構造磁石である。また、４ａ−２、４ｂ−２、４ｃ−２は固定子鉄心、４ｂ−３は軟磁性材でラジアル異方性磁石のバックヨークを示している。

図６（ａ）のラジアル異方性磁石モータに比べ、（ｂ）のハルバッハ磁石モータは同じ磁石材質で表面磁束密度のピーク値を約１．５倍に高めることができる。また、表面磁束密度分布が（ａ）の矩形波に比べて正弦波状となるために、（ｂ）は理想的な磁石ロータに近づく。しかし、ハルバッハ磁石モータ（ｂ）はロータの磁極数８の場合、磁石内径と外径との比が０．４を越えると磁石が発生する磁束密度は減少し始め、その比が約０．８でラジアル異方性磁石に対する優位性は消滅する［Ｋ．Ａｔａｌｌａｈ ａｎｄ Ｄ． Ｈｏｗｅ，“Ｔｈｅ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｈａｌｂａｃｈ Ｃｙｌｉｎｄｅ
ｒｓ ｔｏ Ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ ＡＣ Ｓｅｒｖｏ Ｍｏｔｏｒｓ”，ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ｍａｇｎ．Ｖｏｌ．３４．Ｎｏ．４、ｐｐ．２０６０−２０６３（１９９８）］。

本発明が対象とする、例えば、家電空調機器や情報関連エネルギー消費機器に使われるような１５−５０ Ｗ磁石モータにおいて、例えば磁極数８のロータ磁石の外径を５０ｍｍとした場合、理想的なハルバッハ磁石モータとするには磁石内径は約２０ｍｍ、磁石厚さは約１５ｍｍが必要となる。また、ラジアル異方性磁石と比較したとき、同一磁束密度を得るには磁石内径は約４０ｍｍ、磁石厚さは約５ｍｍが必要である。このような場合、工業的な普及を考慮すると周知のように磁石材料が比較的廉価な（ＢＨ）_max１６ｋＪ／ｍ³程のフェライト射出成形磁石では経済性との整合を考慮しても磁石投入量に比較的余裕がある。したがって磁石肉厚約５〜１５ｍｍの設計であっても採用は可能である。しかし、周知のように、フェライトに比べると価格が概ね１０倍以上と見積もれる高価な希土類磁石材料の場合は経済との整合性が極めて乏しい。すなわち、ハルバッハ磁石本来の性能をモータの性能として引出すには磁石材料投入量を減らせない。このために、とくに価格競争の激しい、例えば家電空調機器や情報関連エネルギー消費機器に使われるような１５−５０Ｗ磁石モータ分野では経済との整合性から高価な希土類磁石材料が敬遠されるのである。

ところが、本発明にかかる図６（ｃ）は回転軸側に回転方向磁化、並びに鉄心側にラジアル方向磁化した構成の多層構造磁石ロータである。したがって、図６（ｂ）のハルバッハ磁石ロータのように、磁石の内径と外径との比が０．６〜０．８を越えても、回転方向磁化成分の効果によって発生磁束密度の減少や、当該磁束密度分布が変化しにくい構造とすることができる。

以上のように、本発明にかかる多層構造磁石ロータは当該磁石０の薄肉（厚膜）化が可能となり、結果として高価な希土類磁石材料の投入量削減による省資源化、価格競争力の強化が図れる。また、磁極中心からの磁路が長くなるため、高パーミアンス化が図れる。したがってモータの高出力化や逆磁界、或いは高温暴露における減磁耐力の向上が図れる。加えて、表面磁束密度分布が正弦波状となるため、静音化や位置制御の高精度化が図れるなどの特徴がある。

以上のように、本発明にかかる（ＢＨ）_max≧１４０ｋＪ／ｍ³の多層構造磁石ロータの提供は、とくに価格競争の激しい１５−５０Ｗの家電空調機器、情報関連エネルギー消費機器に使用されるモータの小型化、高効率化による省資源、省エネルギーの促進にとって革新的な技術であることが了解される。

以下、本発明を実施例により更に詳しく説明する。ただし、本発明はここに開示する実施例に限定されるものではない。

以下、本発明にかかる面内異方性層、垂直異方性層で構成した多層構造磁石について記述する。ただし、異方性希土類磁石粉末は粒子径３８〜１５０μｍの多結晶集合型ＨＤＤＲ−Ｎｄ₂Ｆｅ₁₄Ｂ、粒子径３〜５μｍの単磁区粒子型ＲＤ−Ｓｍ₂Ｆｅ₁₇Ｎ₃を使用した。また、結合剤のうち磁石粉末固定成分としてのオリゴマーはエポキシ当量２０５〜２２０ｇ／ｅｑ、融点７０−７６℃のノボラック型エポキシ、架橋間巨大分子を形成するポリマーには融点８０℃、分子量４０００〜１２０００のポリアミド、ケミカルコンタクトは融点８０〜１００℃のイミダゾール誘導体、また、滑剤として融点約５２℃のペンタエリスリトールＣ１７トリエステルを使用した。これは、１分子中１つの水酸基（−ＯＨ）、炭素数１６のヘキサデシル基（−（ＣＨ₂）₁₆ＣＨ₃）を３つ有するから成る。極性基はポ
リマーとの相溶性、ヘキサデシル基は磁石粉末間や成形型壁面との潤滑を見込んでいる。

グラニュールコンパウンドはオリゴマー１重量％で表面処理したＲＤ−Ｓｍ₂Ｆｅ₁₇Ｎ₃３８。２０重量％、並びにオリゴマー０．５重量％で表面処理したＨＤＤＲ−Ｎｄ₂Ｆｅ₁₄Ｂ５７．４４重量％をポリマー２．８０重量％並びに滑剤０．２８重量％の融点以上（１２０℃）で溶融混練し、室温に冷却後、３５０μｍ以下に粗粉砕したのち、室温でケミカルコンタクト０．２８重量％を乾式混合したものである。

次に、上記グラニュールコンパウンドを１６０℃に加熱し、１．４ＭＡ／ｍ以上の直交磁界（または平行磁界）中、滑りを伴う溶融流動状態で５０ＭＰａで圧縮し、厚さ約４５０μｍ、密度５．８〜５．９７Ｍｇ／ｍ³、（ＢＨ）_max≧１４０ｋＪ／ｍ³の面内異方性、または面垂直異方性厚膜磁石を作製した。

続いて、上記面内並びに面垂直異方性厚膜磁石を重ね合わせ、１８０℃、１０ＭＰａで２０ｍｉｎ程度の加熱加圧により、本発明にかかる架橋間巨大分子を含む面内異方性層、垂直異方性層で構成した平均厚さ約９００μｍの多層構造磁石を作製した。

以上のように、本発明にかかる多層構造磁石は面内異方性並びに面垂直異方性厚膜磁石を直接重ね合わせて加熱加圧することで容易に得られる。

以下、本発明にかかる面内異方性層、垂直異方性層で構成した多層構造磁石について記述する。実施例１と同一のグラニュールコンパウンドを１６０℃に加熱し、１．４ＭＡ／ｍ以上の直交磁界（または平行磁界）中、滑りを伴う溶融流動状態で５０ＭＰａで圧縮し、厚さ４５０μｍ、密度５．８〜５．９７Ｍｇ／ｍ³、（ＢＨ）_max≧１４０ｋＪ／ｍ³の面内（または面垂直）異方性厚膜磁石を作製した。

次に、面内（または面垂直）異方性厚膜磁石を成形型キャビティ底面に収納し、その上面に前記厚膜磁石と同一重量のグラニュールコンパウンドを充填し、１６０℃に加熱し、１．４ＭＡ／ｍ以上の直交磁界（または平行磁界）中、滑りを伴う溶融流動状態で５０ＭＰａで圧縮し、その後、１８０℃、１０ＭＰａで２０ｍｉｎ程度の加熱加圧により、本発明にかかる架橋間巨大分子を含む面内異方性層、垂直異方性層で構成した平均厚さ９００μｍの多層構造磁石を作製した。

以上のように、本発明にかかる多層構造磁石は面内（または面垂直）異方性厚膜磁石に方向が異なる配向磁界中でグラニュールコンパウンドを圧縮成形することで容易に得られる。

次に、上記磁石の架橋間巨大分子を延伸することで可撓性を制御し、その可撓性を利用して環状とする。具体的には圧延すると圧延方向に可撓性が生じる。

環状磁石を多極磁化すると面内異方性層は磁極間において回転方向に磁化され、本発明で言う回転方向磁化成分となる。また、垂直異方性層はラジアル方向磁化成分となる。すなわち、本発明では磁極間に相当する部分に回転方向磁化成分（面内異方性層）を付与するもので、回転方向磁化成分（面内異方性層）とラジアル方向磁化成分（垂直異方性層）の構成は回転方向に対して磁極数に応じて規則的に変化させるものである。

以下、本発明にかかる回転方向磁化成分（面内異方性層）、ラジアル方向磁化成分（垂直異方性層）で構成した多層構造磁石ロータについて記述する。図７に磁極間の回転方向
磁化成分（面内異方性層）とラジアル方向磁化成分（垂直異方性層）の割合を変化させたときの表面磁束密度分布を示す。磁石厚方向がすべてラジアル方向磁化成分（垂直異方性層）であるとき、既知のラジアル異方性磁石であるから、表面磁束密度分布は図７に示すように極中心が落ち込む。本発明にかかる回転方向磁化成分（面内異方性層）を増やしていくと磁極中心の落ち込みが改善される。とくに、回転方向磁化成分（面内異方性層）の割合が概ね５０％のとき、表面磁束密度分布が正弦波状となる。また、回転方向磁化成分（面内異方性層）が上記の割合となると、既知のラジアル異方性磁石に対して回転方向磁化成分（面内異方性層）の割合に応じて高パーミアンスとなるため、図８に示すように初期不可逆減磁率は約４０％低減する。

以下、本発明にかかる回転方向磁化成分（面内異方性層）、ラジアル方向磁化成分（垂直異方性層）で構成した多層構造磁石ロータについて記述する。多極着磁を施した回転方向磁化成分（面内異方性層）のみの磁石では、磁極裏面に同極が発生し、逆方向の漏洩磁化ループが構成される。したがって、本発明では磁極中心のみラジアル方向磁化成分（垂直異方性層）にて構成し、磁極中心以外、すなわち磁極間を回転方向磁化成分（面内異方性層）とラジアル方向磁化成分（垂直異方性層）とで構成することが好ましい。すると、磁極裏面に同極が発生せず、漏洩のない磁石ロータが構成できる。つまり、本発明では少なくとも磁極間に回転方向磁化成分（面内異方性層）を付与する。これにより、磁石が発生する静磁界を有効に利用することができると共に、当該表面磁束密度分布の正弦波状化、或いは初期不可逆減磁低減などの効果が得られる。

本発明は、１５−５０Ｗ家電空調、情報関連エネルギー消費機器に使用されるようなモータに対するラジアル異方性磁石適用への障害を技術的に排除し、モータの省電力化、小型化、高効率化に有用であり、省資源、省エネルギー促進への貢献が期待できる。

多層構造磁石の概念図 架橋間巨大分子の延伸の概念図 多層構造磁石の多極着磁の概念図 面内、垂直方向磁界成分分布の特性図 （ＢＨ）_maxの着磁界依存性を示す特性図 （ａ）ラジアル磁石モータの構造図、（ｂ）ハルバッハ磁石モータの構造図、（ｃ）多層構造各モータの構造図 回転方向磁化成分（面内異方性層）付与による表面磁束密度分布の変化を示す特性図 初期不可逆減磁率の回転方向磁化成分（面内異方性層）依存性を示す特性図

符号の説明

１ 面内異方性層
２ 境界層
２−１、２−２ 面内並びに面垂直異方性クラスター
３ 面垂直異方性層

Claims (6)

1. 少なくとも磁極間に回転方向磁化成分を付与した多層構造磁石ロータ。
2. 磁石厚さ方向で磁極間の回転方向磁化成分の割合を３０％以上とした請求項１記載の多層構造磁石ロータ。
3. 磁石厚さ方向で磁極間の回転方向磁化成分の割合を５０％以上とした請求項１記載の多層構造磁石ロータ。
4. 磁石厚さ方向で磁極間の回転方向磁化成分の割合を磁極数に対応し、回転方向に規則的に変化させた請求項１記載の多層構造磁石ロータ。
5. 回転方向、並びにラジアル方向の最大エネルギー積（ＢＨ）_maxが１４０ｋＪ／ｍ³以上である請求項１記載の多層構造磁石ロータ。
6. 磁石粉末がＳｍ₂Ｆｅ₁₇Ｎ₃微粒子とＮｄ₂Ｆｅ₁₄Ｂ粒子である請求項１記載の多層構造磁石ロータ。