JP2008092702A - リング型焼結磁石、ロータ及び回転機 - Google Patents

Abstract

【課題】磁石の総重量に対するトルク発生に有効な磁束量の割合を増加することができ、磁石の使用量を削減することができるリング型焼結磁石を提供する。
【解決手段】リング型焼結磁石１０のリング外周は円形状に形成されるとともに、リング内周はその周方向に凹部２０及び凸部３０が周期的に形成され、リング周方向にＮ極及びＳ極の磁極が交互に形成されており、磁極の境界が磁石厚さの薄い凹部２０の領域に形成されている。そして、上記凹部２０及び凸部に概ね沿うような凸部及び凹部がその外周に形成されたシャフト５０の鉄心６０をリング型焼結磁石１０の内周部に配設する。
【選択図】図２

Description

この発明は、リング型焼結磁石及びそれを使用したロータ並びに回転機の構造に関するものである。

小型回転機に適用されるリング型磁石は、小型化、高出力化及び高効率化のため、ネオジム系焼結磁石等の希土類系焼結磁石が使用される。従来、トルクムラの小さい回転機に適用されるリング型の希土類系磁石として、例えば特許文献１のような形状の磁石があった。特許文献１のリング型焼結磁石は、リング外周に切り欠き部を設けて凹凸を設けると共に、当該凹凸を軸方向に沿ってスキューさせることにより、磁石の回転方向の起磁力分布を正弦波状に近づけ高調波歪を低減すると共に、高調波歪によって発生するコギングトルクやトルクリップルといったトルクムラを抑制している。

また、磁性粉末を樹脂で固めた樹脂磁石として、従来、リング外周に凹凸を設けたもの、リング内周に凹凸を設けたものが存在した。しかし、当該樹脂磁石は、その外周または内周に凹凸を有したリング型磁石を実現することができる半面、樹脂が混ざっているため高い磁気特性が得られなかった。

特開２００４−３４３９０７号公報 特開２００１−２１１５８１号公報

リング型磁石を使った回転機では、コギングトルクやトルクリップルの原因となる起磁力の回転方向分布における高調波歪みの低減とともに、次の課題があった。

回転機の小型化、高出力化、銅損低減による高効率化に有効な希土類焼結磁石は、資源的に豊富でない希土類原料（特にＴｂ、Ｄｙなど）を使用している問題や、複雑な製造工程を経るため製造コスト及び時間がかかる問題があった。また、小型高性能回転機に使用されているリング型磁石では、磁石の使用量が多く出力トルクに対する重量が重いなど、効率的に磁石が使われていないといった課題があった。

この発明は上記のような従来の課題を解消するためになされたものであり、磁石の総重量に対するトルク発生に有効な磁束量の割合を増加することができ、磁石の使用量を削減することができるリング型焼結磁石及びそれを使用したロータ並びに回転機を提供する。

この発明に係るリング型焼結磁石は、リング軸に垂直な断面において、リング外周は円形状に形成されるとともに、リング内周はその周方向に凹部及び凸部が周期的に形成され、リング周方向にＮ極及びＳ極の磁極が交互に形成されており、磁極の境界が磁石厚さの薄い凹部の領域に形成されていることを特徴とする。

この発明のリング型焼結磁石によれば、リング内周に凹部を設けて磁石厚さの薄い領域を設けることにより、当該磁石厚さの薄い領域においてリング型焼結磁石の内周部に配設される鉄心と外周部に配置されるステータを近接させることができるので、磁石厚さが薄い部分（凹部）でも磁束が流れやすく、磁束量の磁石厚さの厚い領域に対する低下が少なくなる。そのため、磁石の総重量に対するトルク発生に有効な磁束量の割合を増加することができ、リング外周に凹凸部を有するリング型焼結磁石と略同じ性能を保持しつつ、磁石の使用量を削減することができる。また、磁極の境界を磁石厚さの薄い領域（凹部）に配置することにより、磁束によるトルク発生の効果が少ない磁極の境界付近に磁束量の低い領域を配置することができ、トルク発生の効果の影響を最小限に抑えることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図に基づいて説明する。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１によるリング型焼結磁石の断面形状を示す図である。図において、本実施の形態のリング型焼結磁石１０は、リング軸に垂直な断面において、リング外周が円形状に形成され、リング内周が凹凸形状になるように形成されている。特にリング内周は、その周方向に凹部２０及び凸部３０が周期的に形成されている。また、磁石厚さの薄い凹部２０にあたる領域では、磁石の厚さが一定値ｔとなっている。また、リング型焼結磁石１０において、その結晶方向を示す配向の方向は、リング軸に垂直な断面において略径方向であるラジアル配向である。

図２は本実施の形態のリング型焼結磁石を取付けた回転機のロータを示す斜視図である。本実施の形態のリング型焼結磁石１０は、ロータ１００のシャフト５０に固定された鉄心６０の外周に取付けられる。また、図２に示すように、リング型焼結磁石１０には、リング周方向にＮ極及びＳ極の磁極が交互に形成されており、当該磁極の境界は磁石厚さが薄い領域である凹部２０に形成されている。さらに、磁極の境界は、リング軸方向に対して一定の傾斜角で傾くようにスキュー着磁されている。本実施の形態（図２）のリング型焼結磁石１０では、磁極は８極で、磁石外径はΦ３０ｍｍ、磁石の最大厚さは３ｍｍ、最小厚さは１ｍｍである。また、磁石の軸長は３５ｍｍである。

図３は図２の回転機のロータの断面形状を示している。図において、シャフト５０の鉄心６０は、リング型焼結磁石１０の内周に設けられた凹部２０及び凸部３０に概ね沿うような凸部６２及び凹部６３をその外周に形成している。リング型焼結磁石１０と鉄心６０の間の隙間には、磁石の固定用の接着材（図示せず）が充填される。なお、当該隙間は０．０３〜０．２ｍｍ程度である。また、鉄心６０は電磁鋼板等を所定形状に打ち抜いて積層したものである。

図４は図２及び図３に示すロータを組み込んだ回転機を示す模式図である。図に示すように、ロータ１００の外周には、巻線を施したステータ１１０が配置される。本実施の形態では、ステータ１１０は１２スロットである。ロータ１００は軸受１２０を介して回転機のケース１３０に回転可能に支持されている。

次に、本実施の形態のリング型焼結磁石の磁石厚さについて説明する。リング型焼結磁石の磁石厚さは、その最大厚さに対して最小厚さが小さいほど、起磁力分布を正弦波に近づける形状を実現しやすくなる。しかし、リング型焼結磁石の機械的な強度が弱くなり、磁石の製造中などに破損してしまうため、機械強度を維持する上で最小厚さが必要となる。本実施の形態のリング型焼結磁石の場合、最小磁石厚さは１ｍｍである。磁石の強度を保つためには、最小厚さは最大厚さの３０％以上が必要である。最小厚さが最大厚さの９０％以上となると磁石の強度は十分得られるが、起磁力の高調波歪を低減する上で効果が少なくなってしまう。なお、磁石厚さ３ｍｍ、軸長３０ｍｍクラスのリング型焼結磁石では最小厚さは０．９ｍｍ以上が必要である。

図５は本実施の形態のリング型焼結磁石の磁石厚さ分布を示す図である。図５は磁極１極分（電気角度が０度から１８０度）の磁石厚さ分布を示し、最大磁石厚さを基準とした（磁石厚さ）／（最大磁石厚さ）の分布を表している。本実施の形態では、図５の磁石厚さ分布をリング周方向に８極分繰り返し、電気角が４８°以下の領域と１３２°以上の領域では、磁石の機械的強度を維持するため磁石厚さは略一定（上述した最小厚さ以上）としている。図６は比較例１としてリング型焼結磁石の外周に凹部及び凸部を設けた磁石厚さの分布を示している。図５と同様に磁石の機械的強度を維持するため磁石厚さが一定の領域を設けている。

ここで、リング型焼結磁石が発生する磁束量の回転方向の分布について説明する。図７は本実施の形態のリング型焼結磁石の磁束量を説明するための図である。図７において、リング型焼結磁石の中心をＯとし、凹部２０の周方向略中間位置を基準（θ＝０度）とする回転角度をθとする。そして、角度θにおける磁束量（磁束密度）をΦ（θ）、磁石の起磁力をＶｍ（θ）、鉄心６０とステータ１１０間のギャップ長ｇ（θ）とする。このとき、起磁力Ｖｍ（θ）は、磁石の単位長さあたりの起磁力ｖｍ（磁石の磁気特性で決まり一定）と磁石厚さＬｍ（θ）で決まり、下記（１）式となる。

Ｖｍ（θ）＝ｖｍ・Ｌｍ（θ）・・・（１）

従って、磁束量Φ（θ）は下記（２）式となる。

Φ（θ）＝Ｖｍ（θ）／ｇ（θ）＝ｖｍ・Ｌｍ（θ）／ｇ（θ）・・・（２）

本実施の形態では、上述の磁束量分布Φ（θ）を正弦波分布に近似するように設定する。そうすると、本実施の形態のリング型焼結磁石の磁石の厚さＬｍ（θ）は、磁石厚さの厚い領域（凸部３０）において、次式（３）に従う。

Ｌｍ（θ）≒ａ／（１／（ｋ・ｓｉｎθ）−１）・・・（３）
ここで ａ：磁石の最大厚さに対する磁石外周とステータ間のエアギャップの間隔
ｋ：磁石厚さ最大の領域での、磁束量と起磁力の比例定数
ｋ＝Ｌｍ ｍａｘ・ｖｍ／（（Ｌｍ ｍａｘ＋ａ）／μ０）

これに対して、比較例１では、リング型焼結磁石の起磁力分布を正弦波分布に近づけることを目的として、磁石の厚さＬｍ（θ）の分布を正弦波に近づけるように外周の凹部及び凸部を設定している。この場合、シャフトの鉄心とステータのギャップｇ（θ）は角度θによらず一定であるため、磁束量は磁石の厚さできまり、正弦波分布になる。磁石厚さの薄い領域では、磁路抵抗が大きく磁束が流れにくい。

一方、本実施の形態のリング型焼結磁石の場合は、磁石の厚さが薄い領域ではシャフトの鉄心６０の外径が大きくなるため、鉄心６０とステータ１１０のギャップが狭くなり、磁路抵抗が小さくなり、磁束が流れにくくなる現象が緩和される。

図８は本実施の形態（図５の形状）のリング型焼結磁石の磁束量の分布を示す図である。図９は比較例１（図６の形状）のリング型焼結磁石の磁束量の分布を示す図である。なお、図８及び図９は磁極１極分（電気角度が０度から１８０度）の磁束量分布を示している。図５（本実施の形態）のリング型焼結磁石の形状と図６（比較例１）のリング型焼結磁石の形状を比較すると分かるように、図５（本実施の形態）のリング型焼結磁石の方が図６（比較例）のリング型焼結磁石よりも、平均的に磁石の厚さが薄くなり磁石の量が少なくなっているが、図８に示すように、リング型焼結磁石の凸部３０の周方向中央部付近で正弦波状の分布が得られていることがわかる。

なお、磁石厚さの厚い凸部３０の領域において、リング内周を上記（３）式の曲線に近似するように形成したが、磁極中心位置が磁石の最大厚さ位置に来るようにリング内周を凸状の曲線形状にしても略同様の効果を得ることができる。

図５及び図６で示したリング型焼結磁石の磁石厚さの回転方向の積分値は磁石の使用量に比例する。この場合、図６のリング外周に凹部及び凸部を有するリング型焼結磁石に比較して、図５のリング内周に凹部及び凸部があるリング型焼結磁石では、磁石の使用量は２５％少なくなる。なお、比較例２として、図６に示す磁石厚さの分布と同じ分布で、リング外周を円形状、内周に凹部及び凸部を設けた場合のリング型焼結磁石の磁束量の分布を図１０に示す。この場合、磁路抵抗が少なくなる効果によって、正弦波からの歪は大きく、磁束量が増加している。

次に、本実施の形態のリング型焼結磁石におけるスキュー着磁の方法と効果について説明する。図８の本実施の形態（図５の形状）のリング型焼結磁石の磁束量の分布において、磁石の厚さが一定の領域（凹部２０の領域）である電気角度が４５°以下、１３５°以上において、磁束量は一定となり、磁束量の分布における正弦波に対する高調波歪が大きくなる。そこで、図２に示すように、磁極（Ｎ極、Ｓ極）の境界が、磁石の厚さが薄くて一定の領域（凹部２０の領域）にてリング軸方向に傾斜（スキュー）するように、スキュー着磁した。

このように、本実施の形態のリング型焼結磁石において、磁石の厚さが薄くて一定の領域（凹部２０の領域）において、磁極の境界がリング軸方向に傾斜しているために、ステータ１１０に流れ込む磁束量を滑らかに変化させることができる。図１１は上記のようにスキュー着磁した本実施の形態のリング型焼結磁石の磁束量の分布を示す図である。図に示すように、本例の磁束量の分布（図中の実線）において、正弦波分布（図中の点線）からのズレを非常に少なく抑えることができる。

なお、磁極の境界がリング軸方向に対して傾斜するようにスキュー着磁させると、磁極の境界が傾斜している領域つまり磁石の厚さが一定の領域（凹部２０の領域）において、異極の磁極同士が互いに磁束量をキャンセルさせあうため、磁石の発生する磁束量を有効に使用することには反する。しかしながら、本実施の形態の場合、磁石の厚さが薄い領域のみで磁極の境界が傾斜しているので、磁束量のキャンセルは少なく、影響が少ない。

スキュー着磁は通常、５次高調波を打ち消すような電気角７２°前後のスキュー（傾斜）角が用いられることが多いが、本実施の形態の場合は、磁石の厚さの薄い一定の領域（凹部２０の領域）に相当する角度でスキュー着磁させるのが好ましい。すなわち、本実施の形態の場合、電気角約９０度でスキュー着磁している。

次に、本実施の形態のリング型焼結磁石の製造工程について説明する。本磁石の製造工程は、原料合金鋳造工程、粉砕工程、磁場中成形工程、焼結・熱処理工程、加工工程から構成される。具体的に説明すると、磁石の組成は、例えばＮｄ：３０ｗｔ％、Ｂ：１ｗｔ％、Ｄｙ：３ｗｔ％、Ｆｅ：残りｗｔ％である。原料合金鋳造工程において高周波溶解で混合した原料合金を、水素脆性化処理、ジェットミルにより粉砕して（粉砕工程）、平均粒径４μｍの磁性粉末を得る。その磁性粉末に磁場を加えて磁性結晶の方向を揃える配向を行い、内周に凹凸を有するリング形状に圧縮成形してリング成形体を製作する（磁場中成形工程）。そして、上記リング成形体を真空中で１０８０℃、９００℃、６００℃の焼結・熱処理工程を経て、リング焼結体を得る。なお、磁場中成形工程においては、磁場を加えながら加圧しても、磁場を加えた後、加圧してもよい。

磁場中成形工程におけるリング成形体において、磁石厚さが薄いところでも１ｍｍあるため割れや欠けが生じにくい。焼結工程の焼結収縮のときも、同様の理由から焼結収縮時に形状歪が生じにくい。そのため磁石の割れ欠け変形が少なくなる。

上述の磁場中成形工程と焼結工程について詳細に説明する。金型として、内周が円形のダイス、外周にリング型磁石の内周の凹凸部に応じた凹凸部を有するコア、ダイスとコアに嵌め合わすことができる上パンチと下パンチを使用する。これらの金型は本実施の形態の場合、高さ１５ｍｍの成形体を成形できるように金型のキャビティの高さを３０ｍｍ、ダイス高さを４０ｍｍとした。この金型を用いてリング外周が円形で内周に凹凸部を有する高さ１５ｍｍのリング成形体を複数個（例えば３個）作る。そして、複数個（例えば３個）のリング成形体を高さ方向に積み重ね、焼結することで、焼結後の高さ３５ｍｍでリング外周が円形、リング内周に凹凸部を有する本実施の形態のリング型焼結磁石を製造できる。なお、磁石高さが低い場合などは、１個のリング成形体を焼結することでリング型焼結磁石を製造しても良い。

上記のような、磁場中成形工程と焼結工程を用いるため、リング外周が円形状で、リング内周に凹凸部を有する本実施の形態のリング型焼結磁石を、割れや欠け、変形が発生することなく安定して製造することができる。

最後に、本実施の形態のリング型焼結磁石１０を取付けたロータ１００と、前述した１２スロットのステータ１１０とを組み合せてモータを製作した。そして、コギングトルクを測定した結果、リング内周に凹凸形状のない磁石厚さ一定のリング型磁石を用いた場合に比べて、コギングトルクを１／２以下に低減することができた。また、本実施の形態のリング型焼結磁石１０を用いたモータでは、比較例１のリング型焼結磁石を用いたモータに比べてコギングトルクを２０％低減することができ、さらに、磁石の使用量も比較例１に比べ２５％低減することができた。

本実施の形態のリング型焼結磁石をモータに組み込んだ状態では、Ｎ極とＳ極の境界付近である領域は磁石の厚さが薄くてその部分に逆磁界が加わりやすく、一般的に磁石は減磁しやすくなると考えられるが、当該領域ではステータ１１０と鉄心６０との間隔が狭くパーミアンスが高いため減磁しにくいといった特徴も得られた。ただし、リング型焼結磁石１０の磁石厚さの薄い領域（凹部２０）において鉄心６０との間隔が大きいと本実施の形態の効果が上がらず、また減磁しやすいといった問題も生じる。そのため、リング型焼結磁石１０と鉄心６０の間の間隔は、磁石厚さの薄い領域（凹部２０）の長さ寸法以下が良い。

以上のように本実施の形態によれば、リング軸に垂直な断面において、リング外周は円形状に形成されるとともに、リング内周はその周方向に凹部２０及び凸部３０が周期的に形成され、リング周方向にＮ極及びＳ極の磁極が交互に形成されており、磁極の境界が磁石厚さの薄い凹部２０の領域に形成されているので、磁石厚さの薄い凹部２０の領域において、リング型焼結磁石１０の内周部に配設される鉄心６０と外周部に配置されるステータ１１０を近接させることができ、磁石厚さが薄い凹部２０の領域でも磁束が流れやすく、磁石厚さの薄い領域の磁石厚さの厚い領域に対する磁束量の低下が少なくなる。そのため、磁石の総重量に対するトルク発生に有効な磁束量の割合を増加することができ、リング外周に凹凸部を有するリング型焼結磁石と略同じ性能を保持しつつ、磁石の使用量を削減することができる。

また、磁石厚さの薄い凹部２０の領域において磁石厚さを略一定としたので、当該領域における機械的な強度が弱くなくなり、製造時における磁石の割れや欠け、リング形状の歪みを無くすことができる。

また、磁石厚さの厚い凸部３０の領域において、リング内周を凸状の曲線形状、特に上記（３）式の曲線に近似して形成し、磁極の中心が凸部の最大磁石厚さ部分に位置するようにしたので、磁石の磁束量分布を正弦波形状に近似することができる。

さらに、磁石の厚さが薄い凹部２０の領域において、磁極の境界がリング軸方向に傾斜して形成されているので、当該領域における磁束量の分布の正弦波分布からのズレを少なく抑えることができる。

上記実施の形態では、磁石の組成としてＮｄ、Ｂ、Ｆｅ、Ｄｙの例を示したが、Ｃｏ、Ａｌ、Ｃｕ、その他添加元素を加えてもよい。

また、上記実施の形態では、外周に凹凸部を設けた鉄心６０として、電磁鋼板等の積層した例を示したが、冷鍛により製造したものでもよい。また、粉状の磁性材料を圧縮成形した圧粉鉄心で構成してもよい。また、リング型焼結磁石１０と鉄心６０の固定は、接着材を用いなくてもよく、ねじ等で機械的に固定しても、ロー付け等の固定でも良い。

さらに、上記実施の形態では、８極のリング型焼結磁石と１２スロットのステータで説明をおこなったが、磁極数やスロット数に依存するものではなく、他の磁極数のリング型焼結磁石においても、同様の効果を得ることができる。

実施の形態２．
本実施の形態では、上記リング型焼結磁石１０において、磁石厚さの厚い領域（凸部３０）では鉄心６０とのギャップを０．０６ｍｍ以下にするとともに、磁石厚さの薄い領域（凹部２０）では鉄心６０とのギャップを０．１ｍｍ以上にする。リング型焼結磁石１０と鉄心６０との固定を行う際に相互の位置決めが必要であるが、リング型焼結磁石の内周の全領域で嵌め合わせを行おうとすると、リング型焼結磁石１０の内周部と鉄心６０の外周部に高精度の形状精度を確保する必要が生じる。

そこで、本実施の形態では、磁石厚さの薄い領域（凹部２０）で鉄心６０とのギャップを広く、磁石厚さの厚い領域（凸部３０）で鉄心６０とのギャップを狭くすることにより、磁束量の大きな領域（凸部３０）では磁路抵抗を最小限に少なくすることができ、磁束量の小さな領域（凹部２０）では磁路抵抗が多少大きくても磁束量の減少の影響を受けなくて済み、全体としては磁束量を有効に活用できる。

また、磁石の厚さが厚い領域（凸部３０）は、製造工程中の、磁石の加工前の状態（焼結後の状態）でも形状精度が高いため、焼結工程後に実施する加工工程（研削工程等）を省略して使用した場合においても位置決め精度が確保される。すなわち、加工工程を省いても、精度の高いロータの組立が実現でき、ロータに振れ等が発生しないため、騒音や振動が少ない回転機が実現できる。

ここで、本実施の形態において製造工程上得られる特徴について述べる。前述したようにネオジム等の希土類系焼結磁石の製造工程は、原料合金鋳造工程、粉砕工程、磁場中成形工程、焼結・熱処理工程、加工工程を経る。ここで、磁場中成形工程において磁性粉末を金型に給粉時の成形密度のばらつきを少なくすることと、焼結工程における焼結収縮による焼結歪を少なくすることで、次の加工工程の省略が可能となる。本形状のリング型焼結磁石の場合、磁石厚さの厚い領域（凸部３０）では、金型への磁性粉末の給粉が安定していることと、焼結時の収縮が安定であることから、組立時に必要な形状精度を確保することが可能であり、磁石厚さの薄い領域（凹部２０）で形状精度の制限を緩くしておいても、加工工程を省略することができる。ただし、加工工程を実施しても本実施の形態の効果は発揮できる。当然、磁石厚さの厚い領域のみを加工してもよい。また、全領域を加工してもよい。

以上のように、本実施の形態のリング型焼結磁石の形状によれば、製造における加工工程を省略あるいは簡略化することができ、磁石製造におけるロスを少なくし、製造コストを低減することができる。

実施の形態３．
図１２はこの発明の実施の形態３のリング型焼結磁石を用いた回転機のロータを示す斜視図、図１３は図１２の回転機のロータの断面形状を示す図である。

実施の形態１において、リング型焼結磁石１０の内周部に配設される鉄心６０は、リング型焼結磁石１０の内周の凹部２０及び凸部３０に概ね沿うような凸部６２及び凹部６３をその外周に形成している。本実施の形態では、鉄心６０の外周に、上記凸部６２及び凹部６３のほか、リング型焼結磁石１０の磁石厚さが薄い凹部２０に対向する位置に凹部６４を設けている。

図１２及び図１３において、本実施の形態のリング型焼結磁石１０は、実施の形態１と同様、リング外周が円形状に形成され、リング内周に凹部２０及び凸部３０が周期的に形成され、凹部２０にあたる箇所では、磁石の厚さが一定となっている。また、その結晶方向を示す配向の方向は、略径方向を向いたラジアル配向である。

そして、リング型焼結磁石１０は、シャフト５０に固定された鉄心６０の外周に取付けられる。また、リング型焼結磁石１０には、リング周方向にＮ極及びＳ極の磁極が交互に形成されており、当該磁極の境界は磁石厚さが薄い領域である凹部２０に形成されている。さらに、磁極の境界は、リング軸方向と略平行になるようにストレート着磁されている。

また、鉄心６０の外周には、リング型焼結磁石１０の内周に設けられた凹部２０及び凸部３０に概ね沿うような凸部６２及び凹部６３が形成されている。さらに、鉄心６０の外周には、上記凸部６２及び凹部６３のほか、リング型焼結磁石１０の磁石厚さが薄い凹部２０に対向する位置に凹部６４が形成されている。本例では、凹部６４は、凹部６３と略同形状であり、リング型焼結磁石１０の凸部３０に概ね沿うような形状を成している。

本実施の形態のリング型焼結磁石において、磁極は８極であり、鉄心６０の凹部６３，６４は磁石の極数８極の倍である１６個設けられている。また、磁石外径はΦ３０ｍｍ、磁石の最大厚さは３ｍｍ、最小厚さは１ｍｍである。さらに、磁石の軸長は３５ｍｍである。

本実施の形態では、リング型焼結磁石１０の磁石の厚さが薄い領域（凹部２０）において、鉄心６０の外周に形成された凹部６４と組み合わされる。そのため、磁石の薄い領域（凹部２０）では鉄心６０とステータ１１０との間隔が若干広くなり、磁路抵抗がその分大きくなる。そして、磁束量は、磁石の厚さが一定でも鉄心６０とステータ１１０のギャップが広くなるためその分少なくなる。図１４は本実施の形態のロータにおける磁束量の回転方向分布を示す図である。鉄心６０の外周がリング型焼結磁石１０の外周に沿った形状の場合（図８の磁束量分布）に比べ、正弦波の形状に近づき、高調波歪が少なくなることがわかる。

本実施の形態の場合、同サイズの円筒型のリング型焼結磁石を使用した場合に比べてコギングトルクが１／２となり、磁石の使用量も２５％低減できた。また、スキュー着磁のためのヨークが不要で、簡単なストレート着磁用ヨークを使用することによりリング型焼結磁石１０の磁極が形成できる。

実施の形態４．
上記実施の形態では、リング型焼結磁石１０の内周と鉄心６０の外周のギャップを、磁極の境界に対して回転方向に対称になるように構成したが、リング型焼結磁石１０の内周と鉄心６０のギャップが軸方向に対して変化するように構成してもよい。

図１５及び図１６はこの発明の実施の形態４のリング型焼結磁石を使用した回転機のロータの断面形状を示す図である。図１５はリング軸方向の最下部における断面図であり、図１６はリング軸方向の最上部における断面図である。

図１５及び図１６において、リング型焼結磁石１０は、実施の形態３と同様、リング外周が円形状に形成され、リング内周に凹部２０及び凸部３０が周期的に形成され、凹部２０にあたる箇所では、磁石の厚さが一定となっている。また、その結晶方向を示す配向の方向は、略径方向を向いたラジアル配向である。

また、リング型焼結磁石１０には、リング周方向にＮ極及びＳ極の磁極が交互に形成されており、当該磁極の境界は磁石厚さが薄い領域である凹部２０の略周方向中央位置に形成されており、リング軸方向と略平行になるようにストレート着磁されている。

また、鉄心６０の外周には、リング型焼結磁石１０の内周の凹部２０及び凸部３０に概ね沿うような凸部６２及び凹部６３が形成されている。さらに、鉄心６０の外周には、上記凸部６２及び凹部６３のほか、リング型焼結磁石１０の磁石厚さが薄い凹部２０に対向する位置に凹部６４が形成されている。そして、本実施の形態では、上記凹部６４は、そのリング周方向位置がリング軸方向において変化するように構成されている。すなわち、図１５のリング軸方向下方においては、回転方向ＣＣＷ方向のリング型焼結磁石１０と鉄心６０のギャップが広くなるように構成し、図１６のようにリング軸方向上方に行くに従って、回転方向ＣＣＷと反対方向のリング型焼結磁石１０と鉄心６０のギャップが広くなるように構成する。

以上のように、本実施の形態によれば、リング型焼結磁石１０の磁極の境界がリング軸方向下部では回転方向ＣＣＷに位置し、リング軸方向上方になるに従い磁極の境界が回転方向と反対方向にシフトする。そのため、リング型焼結磁石の磁極の境界を所望の傾きでスキューすることができる。すなわち、本実施の形態の構成により、構成の簡単な着磁ヨークで実施できるストレート着磁でも、スキューの効果を得ることができ、コギングトルクやトルクリップルを低減することができる。

実施の形態５．
上記実施の形態のリング型焼結磁石は、そのリング内周に、磁石厚さが一定の凹部と、凸状の曲線から成る凸部が形成されている。しかしながら、本発明では、リング内周の凹凸部は上記形状に限らず、本実施の形態に示すような種々の形状を採用することができる。

図１７はこの発明の実施の形態５によるリング型焼結磁石の断面形状を示す図、図１８は図１７のリング型焼結磁石を取付けた回転機のロータの断面形状を示す図、図１９は図１７のリング型焼結磁石を取付けた回転機のロータを示す斜視図である。図において、本実施の形態のリング型焼結磁石１０は、リング軸に垂直な断面において、リング外周が円形状に形成され、リング内周の周方向に磁石厚さが一定の凹部２０Ａと凸角形状の（折れ曲がり曲線で形成された）凸部３０Ａが周期的に形成されている。

本実施の形態のリング型焼結磁石１０は、ロータ１００のシャフト５０に固定された鉄心６０の外周に取付けられる。図１９に示すように、リング型焼結磁石１０には、リング周方向にＮ極及びＳ極の磁極が交互に形成されており、当該磁極の境界は磁石厚さが薄い領域である凹部２０Ａに形成されている。さらに、磁極の境界は、リング軸方向に対して一定の傾斜角で傾くようにスキュー着磁されている。

また、シャフト５０の鉄心６０は、リング型焼結磁石１０の内周に設けられた凹部２０Ａ及び凸部３０Ａに概ね沿うような凸部６２Ａ及び凹部６３Ａをその外周に形成している。リング型焼結磁石１０と鉄心６０の間の隙間には、磁石の固定用の接着材（図示せず）が充填される。

図２０はこの発明の実施の形態５の他の例のリング型焼結磁石の断面形状を示す図である。上記実施の形態では、磁石厚さが薄い領域では磁石の厚さが一定の例を説明したが、磁石厚さが一定でなく変化がある形状であっても、トルクムラを低減する効果が損なわれることはない。すなわち、図２０に示すように、リング型焼結磁石１０のリング内周にＳ字曲線状の凸部３０Ｂ及び凹部２０Ｂを周期的に形成し、磁石厚さを円弧状に連続的に変化させるようにした。また、磁極の中心位置を凸部３０Ｃの周方向の略中央位置に、磁極の境界を凹部２０Ｃに配置する。図２０のような形状にすることにより、磁石製造時におけるリング成形体への外力がリング形状の不連続部に集中することによるリング成形体の割れを防止することができ、また、焼結収縮時における不連続部への応力集中による割れ防止の効果が得られる。このように、図２０の形状によれば、リング型焼結磁石１０を安定して製造できる効果が得られるため、製造上のロスやコストを削減できる。

図２１はこの発明の実施の形態５の他の例のリング型焼結磁石の断面形状を示す図である。図２１のリング型焼結磁石１０は、リング内周に２次曲線状の凸部３０Ｃ及び凹部２０Ｃを周期的に形成し、磁石の厚さが薄い領域（凹部２０Ｃ）において磁石の厚さが均一な領域がない例である。本例において、磁極の中心位置を凸部３０Ｃの周方向の略中央位置に、磁極の境界を凹部２０Ｃに配置することにより、起磁力分布の高調波歪の低減は可能であり、また、鉄心６０とステータ１１０間のギャップが磁石厚さの薄い領域（凹部２０Ｃ）で狭くなるため、磁石の磁力を有効に活用でき磁石の使用量は少なくできる効果が得られる。本形状の場合、磁石の製造における磁場成形工程で使用する金型の形状が比較的簡単になる利点がある。

図２２は、図１７、図２０及び図２１のリング型焼結磁石の回転方向の磁石厚さ分布を示す図である。また、図２３は、図１７、図２０及び図２１のリング型焼結磁石の回転方向の磁束密度分布を示す図である。なお、図２２又は図２３は、磁極１極分（電気角度が０度から１８０度）の磁石厚さ分布及び磁束密度分布を示し、それぞれ最大磁石厚さを基準とした（磁石厚さ）／（最大磁石厚さ）、（磁束密度）／（最大磁石厚さにおける磁束密度）の分布を表している。

図２２において、図１７のリング型焼結磁石の磁石の最大厚さｔｍａｘと最小厚さｔｍｉｎの中間に当る半値（ｔｍａｘ＋ｔｍｉｎ）／２を定め、半値で決まる中心角（半値中心角と呼ぶ）の１極の磁極の中心角に対する割合である（半値中心角）／（磁極中心角）をパラメータとする。そして、図１７のリング型焼結磁石の（半値中心角）／（磁極中心角）と、磁束密度分布の高調波の振幅、磁石の重量、（磁束密度分布の基本波振幅）／（磁石重量）の関係を図２４、図２５、図２６に示す。

図２４、図２５、図２６に示すように、リング型焼結磁石の半値中心角を小さくすることにより磁束密度分布の高調波は少なくなるが、それ以上に磁石重量が減少しており、そのため、磁束密度分布の基本波振幅／磁石重量は増加する。また、半値中心角が０．２〜０．８ではコギングトルク等のトルクムラの要因である磁束密度分布の５次、７次高調波が低減できることがわかる。また、図２０及び図２１のＳ字曲線状の凹凸部、二次曲線による凸部を有するリング型焼結磁石の（半値中心角）／（磁極中心角）はそれぞれ、０．５６、０．７であり、図１７の折れ曲がり直線形状のリング型焼結磁石の傾向とほぼ一致する。

次に、図２７に、図２０のＳ字曲線状リング型焼結磁石と、図２１の二次曲線状のリング型焼結磁石と、磁石厚さが均一なリング型焼結磁石の比較を示す。比較する項目としては、磁束密度分布の基本波（１次）、３次、５次、７次高調波、磁石の重量、磁束密度分布の基本波振幅／磁石重量である。磁束密度分布の高調波は厚さが均一なリング型焼結磁石の基本波（１次）の振幅で規格化して示している。磁石重量は磁石厚さが均一なリング型磁石の重量で規格化して示す。図２０のＳ次曲線状、図２１の二次曲線状のリング型焼結磁石ともに、磁石重量が大幅に少なくなっているが基本波の減少幅は少なく、そのため、磁束密度分布の基本波振幅／磁石重量は大きくなっている。磁束密度分布の基本波はモータの回転に寄与する成分であり、磁石を有効に使えていることがわかる。一方、コギングトルクの発生要因となる磁束密度分布の高調波における５次、７次高調波はいずれも、従来のリング型磁石に比べて小さくなっており、トルクムラは小さくなる。

実施の形態６．
本実施の形態では、本発明の形状のリング型焼結磁石におけるスキュー着磁の変形例、つまりリング軸方向に対して磁極の境界をＳ字状にスキュー着磁する例について説明する。図２８はこの発明の実施の形態６のリング型焼結磁石を取付けた回転機のロータを示す斜視図である。なお、図２８は、実施の形態３（図１２）の形状のリング型焼結磁石においてＳ字状にスキュー着磁を施した例を示している。すなわち、リング型焼結磁石１０は、リング外周が円形状に形成され、リング内周に凹部２０及び凸部３０が周期的に形成され、凹部２０にあたる箇所では磁石の厚さが一定となっている。

一方、リング型焼結磁石１０の内周部に配設される鉄心６０は、リング型焼結磁石１０の内周の凹部２０及び凸部３０に概ね沿うような凸部６２及び凹部６３をその外周に形成していると共に、リング型焼結磁石１０の磁石厚さが薄い凹部２０に対向する位置に凹部６４を設けている。

そして、リング型焼結磁石１０には、リング周方向にＮ極及びＳ極の磁極が交互に形成されており、当該磁極の境界は磁石厚さが薄い領域である凹部２０に形成されている。さらに、磁極の境界が、リング軸方向の上段及び下段ではストレートに形成され、上段及び下段の中間であるリング軸方向の所定領域において一定の傾斜角で傾くように段スキュー着磁されている。

実施の形態３の形状のリング型焼結磁石により、コギングトルクは十分低減可能であるが、モータの工作精度等によりコギングが発生する場合がある。また、モータによってはさらに低いコギングトルク（０．５％以下）が要求される場合がある。

その場合、コギングトルクの実測結果をもとに、磁極の境界がスキューされている領域の上段及び下段に当たる磁石のコギングトルクが互いに打ち消し合うようにスキュー（傾斜）角度を設定すればよい。例えば、磁極の極数が８、スロット数１２の場合、２４周期の半分（機械角度１５°／２で７．５°）にすることが有効となる。

なお、上記実施の形態では、段スキュー着磁した例を示したが、一般のいわゆるＳ字状にスキュー着磁しても良い。

なお、本実施の形態のＳ字状のスキュー着磁は、図１２の形状のリング型焼結磁石に限らず、図２のリング型焼結磁石の形状等に適用するなどしても、同様の効果が得られる。

この発明の実施の形態１によるリング型焼結磁石の断面形状を示す図である。 この発明の実施の形態１のリング型焼結磁石を取付けた回転機のロータを示す斜視図である。 図２の回転機のロータの断面形状を示す図である。 図２及び図３に示すロータを組み込んだ回転機を示す模式図である。 この発明の実施の形態１のリング型焼結磁石の磁石厚さ分布を示す図である。 比較例１のリング型焼結磁石の磁石厚さ分布を示す図である。 この発明の実施の形態１のリング型焼結磁石の磁束量を説明するための図である。 この発明の実施の形態１（図５の形状）のリング型焼結磁石の磁束量の分布を示す図である。 比較例１（図６の形状）のリング型焼結磁石の磁束量の分布を示す図である。 比較例２のリング型焼結磁石の磁束量の分布を示す図である。 この発明の実施の形態１のリング型焼結磁石においてスキュー着磁を実施した場合の磁束量の分布を示す図である。 この発明の実施の形態３のリング型焼結磁石を用いた回転機のロータを示す斜視図である。 図１２の回転機のロータの断面形状を示す図である。 この発明の実施の形態３のリング型焼結磁石の磁束量の分布を示す図である。 この発明の実施の形態４のリング型焼結磁石を使用した回転機のロータの断面形状を示す図である。 この発明の実施の形態４のリング型焼結磁石を使用した回転機のロータの断面形状を示す図である。 この発明の実施の形態５によるリング型焼結磁石の断面形状を示す図である。 図１７のリング型焼結磁石を取付けた回転機のロータの断面形状を示す図である。 図１７のリング型焼結磁石を取付けた回転機のロータを示す斜視図である。 この発明の実施の形態５の他の例のリング型焼結磁石の断面形状を示す図である。 この発明の実施の形態５の他の例のリング型焼結磁石の断面形状を示す図である。 図１７、図２０及び図２１のリング型焼結磁石の回転方向の磁石厚さ分布示す図である。 図１７、図２０及び図２１のリング型焼結磁石の回転方向の磁束密度分布を示す図である。 図１７のリング型焼結磁石の（半値中心角）／（磁極中心角）と磁束密度分布の高調波の振幅の関係を示す図である。 図１７のリング型焼結磁石の（半値中心角）／（磁極中心角）と磁石重量の関係を示す図である。 図１７のリング型焼結磁石の（半値中心角）／（磁極中心角）と磁束密度分布の基本波振幅／磁石重量の関係を示す図である。 図２０のリング型焼結磁石と、図２１のング型焼結磁石と、磁石厚さが均一な従来のリング型焼結磁石の比較を示す図である。 この発明の実施の形態６のリング型焼結磁石を取付けた回転機のロータを示す斜視図である。

符号の説明

１０ リング型焼結磁石、２０，２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ 凹部、
３０，３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ 凸部、５０ シャフト、６０ 鉄心、
６２，６２Ａ 凸部、６３，６３Ａ 凹部、６４ 凹部、１００ ロータ、
１１０ ステータ。

Claims (14)

1. リング軸に垂直な断面において、リング外周は円形状に形成されるとともに、リング内周はその周方向に凹部及び凸部が周期的に形成され、
   リング周方向にＮ極及びＳ極の磁極が交互に形成されており、上記磁極の境界が磁石厚さの薄い上記凹部の領域に形成されていることを特徴とするリング型焼結磁石。
2. 磁石厚さの薄い上記凹部の領域において、磁石厚さが略一定となることを特徴とする請求項１に記載のリング型焼結磁石。
3. 磁石厚さの厚い上記凸部の領域において、リング内周が凸状の曲線により形成され、磁極の中心が上記凸部の最大磁石厚さ部分に配置されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のリング型焼結磁石。
4. 磁石の厚さの厚い上記凸部の領域において、磁石厚さが次式のＬｍ（θ）に従うことを特徴とする請求項３に記載のリング型焼結磁石。
   Ｌｍ（θ）≒ａ／（１／（ｋ・ｓｉｎθ）−１）
   ここで、Ｌｍ（θ）：リング型焼結磁石の中心をＯとし、凹部２０の周方向略中心位 置（０度）を基準とした回転角度θにおける磁石厚さ
   ａ：磁石の最大厚さに対する磁石外周とステータ間のエアギャップの間隔
   ｋ：磁石厚さ最大の領域での、磁束量と起磁力の比例定数
   ｋ＝Ｌｍ ｍａｘ・ｖｍ／（（Ｌｍ ｍａｘ＋ａ）／μ０）
   μ０：透磁率
5. 磁石厚さの厚い上記凸部の領域において、リング内周が凸角形状に形成され、磁極の中心が上記凸部の最大磁石厚さ部分に配置されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のリング型焼結磁石。
6. リング内周にＳ字曲線状の凸部及び凹部を周期的に形成し、磁石厚さを円弧状に連続的に変化させるようにしたことを特徴とする請求項１に記載のリング型焼結磁石。
7. リング内周に２次曲線状の凸部及び凹部を周期的に形成し、磁石の厚さが薄い上記凹部の領域で磁石の厚さが均一な領域がないようにしたことを特徴とする請求項１に記載のリング型焼結磁石。
8. 磁石の厚さが薄い上記凹部の領域において、磁極の境界がリング軸方向に傾斜して形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のリング型焼結磁石。
9. 磁極の境界が、リング軸方向にＳ字状に傾斜して形成されていることを特徴とする請求項８に記載のリング型焼結磁石。
10. 請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載のリング型焼結磁石と、上記リング型焼結磁石の内周の上記凹部及び凸部に概ね沿うような凸部及び凹部がその外周に形成され、上記リング型焼結磁石の内周部に固定される鉄心と、上記鉄心が固定されたシャフトとから構成されるロータ。
11. 上記リング焼結磁石の磁石厚さの薄い凹部の領域における上記鉄心とのギャップを、上記リング焼結磁石の磁石厚さの厚い凸部の領域における上記鉄心とのギャップより、広くしたことを特徴とする請求項１０に記載のロータ。
12. 上記リング型焼結磁石の磁石厚さが薄い凹部の領域に対応する位置の上記鉄心に凹部を設けたことを特徴とする請求項１０に記載のロータ。
13. 上記鉄心の凹部が、リング軸方向に対して傾斜して形成されていることを特徴とする請求項１２に記載のロータ。
14. 請求項１０から請求項１３のいずれか１項に記載のロータと、上記ロータの外周に配置されたステータを備え、上記ロータが上記ステータに対して回転可能に支持されている回転機。

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