JP2010130724A - Magnet for electric motors, and dc motor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、モータ用磁石および直流モータに関する。 The present invention relates to a motor magnet and a DC motor.
モータでは、コギングトルクの低減が重要となる。直流モータにおけるコギングトルクを低減する技術に関しては、例えば特許文献1に記載された技術が知られている。特許文献1には、界磁マグネットにおける表面磁束波形を極性が反転する部分で0とし、さらのその周辺で小さな値となるように表面磁束密度を痩せた正弦波形とする構成が記載されている。
In motors, it is important to reduce cogging torque. As a technique for reducing the cogging torque in a DC motor, for example, a technique described in
引用文献1に記載された構成は、コギングトルクを低減する手法として一つの方法であるが、界磁マグネットの極性が切り替わる付近における磁束密度が低くなるので、モータの起動トルクが低下する。
The configuration described in the cited
そこで本発明は、コギングトルクを低減できながら、それによるモータの起動トルクの低下を極力防止できる構成を提供することを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a configuration that can reduce the cogging torque while preventing the decrease in the starting torque of the motor as much as possible.
請求項1に記載の発明は、環状のヨークの内周面に沿って固定される複数の磁極を有する界磁マグネットであって、回転中心から見て、前記界磁マグネットの磁極の中心において、前記界磁マグネットにおける磁気ベクトルがラジアル方向と平行または略平行であり、前記界磁マグネットの隣接する磁極の境界において、前記界磁マグネットにおける磁気ベクトルがラジアル方向に対して垂直または略垂直であり、前記界磁マグネットの磁極の境界から±10°の範囲における前記磁気ベクトルの角度の変化率が、0より大きく1.5以下であることを特徴とするモータ用磁石である。
The invention according to
磁気ベクトルの角度というのは、界磁マグネットにおける磁気ベクトルの方向の角度であり、磁気ベクトルの角度の変化率というのは、その角度の変化の割合である。本発明では、回転中心(モータとして組み上げた際のモータの回転軸に相当する部分)から見たラジアル方向の角度変化に対する界磁マグネットにおける磁気ベクトルの方向の変化の割合を界磁マグネットにおける磁気ベクトルの角度の変化率(磁気ベクトル角の変化率)として定義する。 The angle of the magnetic vector is the angle in the direction of the magnetic vector in the field magnet, and the rate of change of the angle of the magnetic vector is the rate of change of the angle. In the present invention, the ratio of the change in the direction of the magnetic vector in the field magnet with respect to the change in the angle in the radial direction as viewed from the center of rotation (the portion corresponding to the rotation axis of the motor when assembled as a motor) is represented by the magnetic vector in the field magnet. Is defined as the rate of change in angle (change rate of magnetic vector angle).
例えば、回転軸中心から見たラジアル方向の角度変化に対する磁気ベクトルの方向の変化が急激である場合、上記磁気ベクトルの角度の変化率は大きくなる。また、回転軸中心から見たラジアル方向の角度変化で対する磁気ベクトルの方向の変化が緩やかである場合、上記磁気ベクトルの角度の変化率は、小さくなる。なお、上記磁気ベクトルの角度の変化率は、回転軸中心から見たラジアル方向の角度変化で対する磁気ベクトルの方向の変化(角度の変化)であるから、無次元数である。 For example, when the change in the direction of the magnetic vector with respect to the change in the radial direction viewed from the center of the rotation axis is abrupt, the rate of change in the angle of the magnetic vector increases. Further, when the change in the direction of the magnetic vector with respect to the change in the radial direction as viewed from the center of the rotation axis is moderate, the change rate of the angle of the magnetic vector becomes small. Note that the rate of change in the angle of the magnetic vector is a dimensionless number because it is a change in the direction of the magnetic vector (change in angle) with respect to a change in angle in the radial direction as viewed from the center of the rotation axis.
次に、界磁マグネットの磁極の境界から±10°の範囲における界磁マグネットにおける磁気ベクトル角の変化率を0より大きく1.5以下とする意味について説明する。この条件における磁気ベクトルの角度の変化率が0となるのは、界磁マグネットの磁極の境界から±10°の範囲における界磁マグネットにおける磁気ベクトルの角度の変化がない場合である。界磁マグネットの磁極の境界では、磁極の極性が切り替わり、その切り替わった部分は、起動トルクの発生に寄与しない。よって、界磁マグネットの磁極の境界から±10°の範囲における界磁マグネットにおける磁気ベクトルの角度の変化がないということは、その範囲が起動トルクに寄与しないことになる。よって、本発明では、界磁マグネットの磁極の境界から±10°の範囲における界磁マグネットにおける磁気ベクトルの角度の変化率を0より大きくした条件を採用する。 Next, the meaning of setting the rate of change of the magnetic vector angle in the field magnet in the range of ± 10 ° from the boundary of the magnetic pole of the field magnet to be greater than 0 and 1.5 or less will be described. The rate of change in the angle of the magnetic vector under this condition is 0 when there is no change in the angle of the magnetic vector in the field magnet in the range of ± 10 ° from the boundary of the magnetic pole of the field magnet. At the boundary of the magnetic pole of the field magnet, the polarity of the magnetic pole is switched, and the switched portion does not contribute to the generation of the starting torque. Therefore, the fact that there is no change in the angle of the magnetic vector in the field magnet in the range of ± 10 ° from the boundary of the magnetic pole of the field magnet means that the range does not contribute to the starting torque. Therefore, in the present invention, a condition is adopted in which the change rate of the angle of the magnetic vector in the field magnet in the range of ± 10 ° from the boundary of the magnetic pole of the field magnet is larger than zero.
実測データによると、界磁マグネットの磁極の境界から±10°の範囲における界磁マグネットにおける磁気ベクトルの角度の変化率が1.5以下となると、コギングトルクの低下の割合に比較して、界磁マグネットが発生する磁束の有効部分の低下の割合が小さくなり、両者に差が生じ始める。つまり、コギングトルクを低下させつつ、界磁マグネットが発生する磁束の利用効率の低下を相対的に抑えることができる。 According to the measured data, when the rate of change of the angle of the magnetic vector in the field magnet in the range of ± 10 ° from the boundary of the magnetic pole of the field magnet is 1.5 or less, compared to the rate of decrease in cogging torque, The rate of decrease in the effective portion of the magnetic flux generated by the magnet magnet is reduced, and a difference between the two begins to occur. That is, it is possible to relatively suppress a decrease in the utilization efficiency of the magnetic flux generated by the field magnet while reducing the cogging torque.
界磁マグネットが発生する磁束の利用効率は、起動トルクに比例するから、これは、コギングトルクを低下させつつ、起動トルクの低下を相対的に抑えることができることを意味する。このことを根拠とし、上記数値範囲を選択している。 Since the utilization efficiency of the magnetic flux generated by the field magnet is proportional to the starting torque, this means that the reduction of the starting torque can be relatively suppressed while the cogging torque is reduced. Based on this, the above numerical range is selected.
回転中心から見て、界磁マグネットの磁極の境界から±10°の範囲における前記界磁マグネットにおける磁気ベクトルの角度の変化率を制御する方法として、界磁マグネットの原料の調合を調整する方法、界磁マグネットを成形する際の成形条件(圧力等)を調整する方法、着磁条件を調整する方法、これら要因を複数組み合わせる方法がある。 As a method of controlling the rate of change of the angle of the magnetic vector in the field magnet in a range of ± 10 ° from the boundary of the magnetic pole of the field magnet when viewed from the rotation center, a method of adjusting the composition of the raw material of the field magnet, There are a method of adjusting the molding conditions (pressure, etc.) when molding the field magnet, a method of adjusting the magnetizing conditions, and a method of combining a plurality of these factors.
磁気ベクトルの方向は、専用の測定装置で3次元的に精密に測定できるので、この装置の測定条件の設定により、回転中心から見て、界磁マグネットの磁極の境界から±10°の範囲における前記界磁マグネットにおける磁気ベクトルの角度の変化率のデータを精密に得ることができる。 The direction of the magnetic vector can be accurately measured three-dimensionally with a dedicated measuring device. By setting the measuring conditions of this device, the direction of the magnetic vector is within ± 10 ° from the boundary of the magnetic pole of the field magnet as viewed from the center of rotation. Data on the change rate of the angle of the magnetic vector in the field magnet can be obtained accurately.
以下、回転中心から見て、界磁マグネットの磁極の境界から±10°の範囲における前記界磁マグネットにおける磁気ベクトルの角度の変化率を設定する方法の概略を説明する。まず、本発明における磁気ベクトルの角度の変化率を制御するパラメータ(例えば着磁条件)を決める。そして、このパラメータと本発明における磁気ベクトルの角度の変化率との相関関係に関するデータを取得する。次いで、この取得した相関関係を利用して、目的とする磁気ベクトルの角度の変化率を有する界磁マグネットが得られる上記パラメータの値を選択し、界磁マグネットの製造を行う。こうして、所望の磁気ベクトルの角度の変化率の値を有する界磁マグネットを得る。 Hereinafter, an outline of a method for setting the change rate of the angle of the magnetic vector in the field magnet in the range of ± 10 ° from the boundary of the magnetic pole of the field magnet when viewed from the center of rotation will be described. First, a parameter (for example, magnetization condition) for controlling the rate of change of the angle of the magnetic vector in the present invention is determined. And the data regarding the correlation between this parameter and the change rate of the angle of the magnetic vector in the present invention is acquired. Next, by using the acquired correlation, the value of the above-mentioned parameter for obtaining a field magnet having a target magnetic vector angle change rate is selected, and the field magnet is manufactured. In this way, a field magnet having a desired change rate of the angle of the magnetic vector is obtained.
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、磁気ベクトルの角度の変化率が1.3以下であることを特徴とする。本発明者らが得たデータでは、請求項1で規定する磁気ベクトルの角度の変化率が1.3以下となると、さらにコギングトルクの低下の割合に比較して起動トルクの低下の割合が小さくなり、両者の低下の程度の差がより顕著に拡大する。つまり、よりコギングトルクの低下が顕著になり、他方で起動トルクの低下の程度が緩やかになる傾向が大となる。このことから、請求項2の限定を採用することで、更に低コギングトルクで、且つ、起動トルクの低下の小さいモータを得るための界磁マグネットを得ることができる。
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the rate of change of the angle of the magnetic vector is 1.3 or less. In the data obtained by the inventors, when the rate of change of the angle of the magnetic vector defined in
請求項3に記載の発明は、請求項1または2に記載の発明において、磁気ベクトルの角度の変化率が0.8以上であることを特徴とする。上述したように、磁気ベクトルの角度の変化率が1.5(より顕著には1.3)以下となると、コギングトルクの低下の割合に比較して、界磁マグネットが発生する磁束の有効部分の低下の割合が小さくなり、両者に差が生じ始める。しかしながら、その傾向は、磁気ベクトルの角度の変化率が1.0程度で飽和傾向を示し出し、0.8程度では明確な飽和傾向を示す。
The invention according to claim 3 is the invention according to
本発明の目的は、起動トルクの低下を抑えつつ、コギングトルクを低減させることにある。一方、図3からは、界磁マグネットの磁極の境界から±10°の範囲における磁気ベクトルの角度の変化率が低下すると、起動トルクの源となる界磁マグネットが発生する磁束の有効部分が低下する傾向が見て取れる。したがって、上記磁気ベクトルの角度の変化率の値は、可能な範囲で小さくしない方が好ましい。 An object of the present invention is to reduce the cogging torque while suppressing a decrease in the starting torque. On the other hand, from FIG. 3, when the rate of change of the angle of the magnetic vector in the range of ± 10 ° from the boundary of the magnetic pole of the field magnet decreases, the effective portion of the magnetic flux generated by the field magnet that becomes the source of the starting torque decreases. The tendency to do can be seen. Therefore, it is preferable that the value of the change rate of the angle of the magnetic vector is not made as small as possible.
図3に示されるデータを解析すると、コギングトルクの低下の割合に比較して、界磁マグネットが発生する磁束の有効部分の低下の割合が小さくなり、両者の差が徐々に拡大する範囲は、界磁マグネットの磁極の境界から±10°の範囲における界磁マグネットにおける磁気ベクトルの角度の変化率が1.5程度(より顕著には、1.3程度)から始まり、1.0程度(余裕を見た場合、0.8程度)に低下する範囲において生じている。 When the data shown in FIG. 3 is analyzed, the rate of decrease in the effective portion of the magnetic flux generated by the field magnet is smaller than the rate of decrease in cogging torque, and the range in which the difference between the two gradually increases is as follows: The rate of change of the angle of the magnetic vector in the field magnet in the range of ± 10 ° from the boundary of the magnetic pole of the field magnet starts from about 1.5 (more noticeably about 1.3), and about 1.0 (margin) In the range of about 0.8).
この範囲を外れた範囲では、当該磁気ベクトルの角度の変化率の低下に対応した起動トルクの低下率とコギングトルクの低下率との有意な差の拡大の傾向は見られない。以上の考察から、起動トルクの低下を抑えつつ、且つ、コギングトルクの値を下げるには、当該磁気ベクトルの角度の変化率の下限を1.0、余裕を見て0.8とするのが望ましいことが結論される。 In a range outside this range, there is no tendency for a significant difference between the starting torque reduction rate and the cogging torque reduction rate corresponding to the decrease in the change rate of the angle of the magnetic vector. From the above consideration, in order to suppress the decrease in the starting torque and reduce the value of the cogging torque, the lower limit of the change rate of the angle of the magnetic vector is set to 1.0 and the margin is set to 0.8. It is concluded that this is desirable.
請求項4に記載の発明は、請求項1〜3のいずれか一項に記載の発明において、界磁マグネットの軸方向から見た形状が、角が丸い多角形の外形構造を有することを特徴とする。請求項4に記載の発明によれば、角が丸い角筒形状を有するモータ用の界磁マグネットが提供される。 According to a fourth aspect of the present invention, in the invention according to any one of the first to third aspects, the shape of the field magnet viewed from the axial direction has a polygonal outer shape with rounded corners. And According to invention of Claim 4, the field magnet for motors which has a square cylinder shape with a rounded corner is provided.
請求項5に記載の発明は、請求項1〜3のいずれか一項に記載の発明において、界磁マグネットの軸方向から見た形状が、円環状の形状を有していることを特徴とする。請求項5に記載の発明によれば、円筒形状のモータ用の界磁マグネットが提供される。
The invention according to
請求項6に記載の発明は、請求項1〜5のいずれか一項に記載のモータ用磁石を用いた界磁マグネットと、前記界磁マグネットの内側に配置された複数の突極を備えた回転子とを備えることを特徴とする直流モータである。請求項6に記載の発明によれば、コギングトルクを低減できながら、それによるモータの起動トルクの低下を極力抑えた直流モータが提供される。
The invention according to
本発明によれば、コギングトルクを低減できながら、それによるモータの起動トルクの低下を極力防止できる構成が提供される。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the structure which can prevent the fall of the starting torque of a motor by it can be reduced as much as possible while reducing a cogging torque.
(1)第1の実施形態
(全体の概要)
図1は、発明を利用した直流モータの軸方向から見た断面の概念図である。図1には、直流モータ100が示されている。直流モータ100は、磁性体により構成された角が丸い四角形の断面形状を有した筒型の構造で、モータフレームを兼ねるヨーク101を備えている。ヨーク101の内側には、そこにちょうど収まる外形を有し、外側の形状が、角が丸い四角形で、内側の形状が円形の断面形状を有した界磁マグネット102が収納されている。
(1) First embodiment (overall outline)
FIG. 1 is a conceptual diagram of a cross section viewed from the axial direction of a DC motor using the invention. A
界磁マグネット102の内側の空間には、磁性体により構成される回転子103が収められている。回転子103は、回転軸104を軸として、界磁マグネット102に対して回転する。この例では、回転子103は、6個の突極を備えている。これら突極には、図示省略したコイルが巻かれ、これらコイルは、図示省略したブラシ給電機構から給電を受ける。これらの構造は、通常のモータと同じであるので、図示および説明は省略する。
In the space inside the
(界磁マグネットの構造)
界磁マグネット102は、4つの角部が磁極となる。この例では、各角部が、順にN極→S極→N極→S極と4極に着磁されている。これら磁極の中心は、半径方向の厚みが最大となる部分と一致する構成とされている。また、界磁マグネット102の半径方向の厚さは、磁極間の中央部分、つまり磁極が切り替わる部分で最小となる断面形状とされている。
(Field magnet structure)
The
界磁マグネット102は、異方性Sm−Fe−N磁石粉末により構成されている。図1における界磁マグネット102中における矢印(一例として符号105)は、界磁マグネットにおける磁気ベクトルの分布の状態を概念的に示したものでる。
The
以下、角度の定義について説明する。まず基本となる角度を機械角と称する。図1の下部には、機械角の定義が記載されている。機械角は、図1の9時の方向(左方向)を0°として、そこから時計回りに12時の方向(上方向)を90°、3時の方向(右方向)を180°、6時の方向(下方向)を270°として定義される。この定義に従い、図1のAで示す部分が、角度0°の部分となる。またBで示す部分が角度180°の部分となる。 Hereinafter, the definition of the angle will be described. First, the basic angle is called a mechanical angle. The definition of the mechanical angle is described in the lower part of FIG. The mechanical angle is set to 0 ° in the 9 o'clock direction (left direction) in FIG. 1, and from there, the clockwise 12 o'clock direction (upward) is 90 °, the 3 o'clock direction (right direction) is 180 °, 6 ° The hour direction (downward) is defined as 270 °. According to this definition, the portion indicated by A in FIG. 1 is a portion having an angle of 0 °. A portion indicated by B is a portion having an angle of 180 °.
界磁マグネット102は、磁極の切り替わる部分が半径方向の厚みが最も小さい箇所とされ、その位置は機械角で見て角度0°(360°)、90°、180°、270°の角度位置となる。これらの部分では、界磁マグネットにおける磁気ベクトルの方向は、ラジアル方向に対して垂直(または略垂直)となる。言い替えると、これらの部分では、磁気ベクトルの方向は、界磁マグネット102内周の円周方向への接線の方向に一致または略一致する。一方、界磁マグネットにおける磁極の中心部分である角度45°、135°、225°、315°の部分では、磁気ベクトルの方向は、ラジアル方向と平行(つまり同じ方向または逆方向)または略平行となる。
In the
界磁マグネットの内周面の接線方向に対する磁気ベクトルの角度で考えると、機械角0°の部分で磁気ベクトルの上記接線方向に対する角度は、0°(つまり平行)であり、機械角45°の部分で90°(直角)であり、機械角90°の部分で0°(平行)であり、機械角135°の部分で90°(直角)であり、機械角180°の部分で0°(平行)であり、機械角225°の部分で90°(直角)であり、機械角270°の部分で0°(平行)であり、機械角315°の部分で90°(直角)でとなる。 Considering the angle of the magnetic vector with respect to the tangential direction of the inner peripheral surface of the field magnet, the angle of the magnetic vector with respect to the tangential direction at the mechanical angle of 0 ° is 0 ° (that is, parallel), and the mechanical angle is 45 °. 90 ° (right angle) in the part, 0 ° (parallel) in the part with the mechanical angle of 90 °, 90 ° (right angle) in the part with the mechanical angle of 135 °, and 0 ° (part with the mechanical angle of 180 °) Parallel), 90 ° (right angle) at the mechanical angle of 225 °, 0 ° (parallel) at the mechanical angle of 270 °, and 90 ° (right angle) at the mechanical angle of 315 ° .
この関係をグラフにまとめたものを図2に示す。図2において、横軸が機械角であり、縦軸が界磁マグネットの内周面の接線方向に対する磁気ベクトルの角度である。 FIG. 2 shows a summary of this relationship. In FIG. 2, the horizontal axis is the mechanical angle, and the vertical axis is the angle of the magnetic vector with respect to the tangential direction of the inner peripheral surface of the field magnet.
図1に示すように、界磁マグネット中における磁気ベクトルの方向は、磁極の中心の部分(例えば45°の部分)と磁極が切り替わる部分(例えば90°の部分)との間において、徐々に45°の範囲で変化する。これは、このような分布となるように着磁を行うことで実現される。 As shown in FIG. 1, the direction of the magnetic vector in the field magnet is gradually 45 between the central part of the magnetic pole (for example, 45 ° part) and the part where the magnetic pole is switched (for example, 90 ° part). It varies in the range of °. This is realized by performing magnetization so as to have such a distribution.
この磁気ベクトルの方向の変化の割合が、磁気ベクトルの角度の変化率である。本願明細書では、磁気ベクトルの角度の変化率は、Δθ/Δφで示される。ここで、θが磁気ベクトルの角度であり、φが機械角であり、それらの微小変化分をΔθおよびΔφとしている。また、磁気ベクトルの角度θの定義は、機械角と同じである。直感的には、図2のグラフの傾きが磁気ベクトル角の変化率に対応する。 The rate of change in the direction of the magnetic vector is the rate of change in the angle of the magnetic vector. In the present specification, the change rate of the angle of the magnetic vector is represented by Δθ / Δφ. Here, θ is the angle of the magnetic vector, φ is the mechanical angle, and these minute changes are Δθ and Δφ. The definition of the magnetic vector angle θ is the same as the mechanical angle. Intuitively, the slope of the graph of FIG. 2 corresponds to the change rate of the magnetic vector angle.
この定義によれば、磁気ベクトルの角度の変化率が相対的に大きいということは、磁気ベクトルの方向のラジアル方向における変化の割合が相対的に大きい(つまり、少し場所がずれると、磁気ベクトルの方向が大きく変化する)ことを意味する。逆に、磁気ベクトルの角度の変化率が相対的に小さいということは、磁気ベクトルの方向のラジアル方向における変化の割合が相対的に小さい(つまり、場所による磁気ベクトルの方向の変化が小さい)ことを意味する。 According to this definition, the rate of change in the angle of the magnetic vector is relatively large, which means that the rate of change in the radial direction of the magnetic vector is relatively large (i.e. The direction changes significantly). Conversely, the rate of change in the angle of the magnetic vector is relatively small, which means that the rate of change in the direction of the magnetic vector in the radial direction is relatively small (that is, the change in the direction of the magnetic vector depending on the location is small). Means.
(実験データの説明)
図1に示す界磁マグネットを備えたモータを作製した。この際、隣接する磁極間の中央の極性が切り替わる4箇所の部分、すなわち、図1の機械角0°、90°、180°、270°の部分を中心とした±10°の範囲における磁気ベクトルの角度の変化率を変えたサンプルを作製し、このサンプルを用いたモータのコギングトルクの値を取得した。また、ヨーク101に界磁マグネット102を実装した状態における界磁マグネット102から発生する総磁束量の変化率を求めた。モータの起動トルクは、この総磁束量にほぼ比例する。得られたデータを表1に示す。
(Explanation of experimental data)
A motor provided with the field magnet shown in FIG. 1 was produced. At this time, the magnetic vector in a range of ± 10 ° centering on the four portions where the central polarity between adjacent magnetic poles is switched, that is, the
また上記のデータをまとめたものを図3に示す。図3に示すグラフの横軸は、上述した磁気ベクトルの角度の変化率(4箇所の平均値)であり、磁化の状態を3次元的に測定できる装置を用いて測定した値に基づいて算出したデータである。右側の縦軸は、界磁マグネット102が作る磁束量を、上記の磁気ベクトル角の変化率が2における値を基準(100%)とし、その値に対して何%であるのかを示す値である。この右側の縦軸の値は、起動トルクに寄与する磁束量の減少量を示すものであり、低下する程、起動トルクが低下することを示している。図3の左側の縦軸は、専用の測定装置で計測した当該界磁マグネットを用いた直流モータのコギングトルクである。
A summary of the above data is shown in FIG. The horizontal axis of the graph shown in FIG. 3 is the rate of change in the angle of the magnetic vector described above (average value of four locations), and is calculated based on the value measured using a device that can measure the magnetization state three-dimensionally. Data. The vertical axis on the right side shows the amount of magnetic flux generated by the
図3には、図1の機械角0°、90°、180°、270°の部分の±10°の範囲における磁気ベクトルの角度の変化率が小さくなると、コギングトルクが直線的に低下し、一方において、起動トルクの低下は、コギングトルクの低下に比べて穏やかである傾向が示されている。この傾向は、磁気ベクトル角の変化率が1.5以下になると、顕著になり始め、1.3以下になると、更に顕著になる。
In FIG. 3, when the rate of change of the angle of the magnetic vector in the range of ± 10 ° in the
このことから、図1の機械角0°、90°、180°、270°の部分の±10°の範囲における磁気ベクトルの角度の変化率を、1.5以下の値とすると(より好ましくは1.3以下の値とすると)、コギングトルクの減少分に比較して、起動トルクの減少分を小さくでき、コギングトルクを低減しながら、それによるモータの起動トルクの低下を極力防止できる構成が得られることが結論される。
From this, when the rate of change of the angle of the magnetic vector in the range of ± 10 ° in the
なお、この条件における磁気ベクトルの角度の変化率が0となるのは、界磁マグネットの磁極の境界から±10°の範囲における界磁マグネットにおける磁気ベクトルの角度の変化がない場合である。界磁マグネットの磁極の境界では、磁極の極性が切り替わり、その切り替わった部分は、起動トルクの発生に寄与しない。よって、界磁マグネットの磁極の境界から±10°の範囲における磁気ベクトルの角度の変化がない場合は、その範囲が起動トルクに寄与しないことになる。よって、当該磁気ベクトルの角度の変化率の下限は、0より大きな値となる。 The rate of change in the angle of the magnetic vector under this condition is zero when there is no change in the angle of the magnetic vector in the field magnet in a range of ± 10 ° from the boundary of the magnetic pole of the field magnet. At the boundary of the magnetic pole of the field magnet, the polarity of the magnetic pole is switched, and the switched portion does not contribute to the generation of the starting torque. Therefore, when there is no change in the angle of the magnetic vector in the range of ± 10 ° from the boundary of the magnetic pole of the field magnet, the range does not contribute to the starting torque. Therefore, the lower limit of the change rate of the angle of the magnetic vector is a value larger than zero.
また、当該磁気ベクトルの角度の変化率の下限については、以下に述べる限定も有効である。図3を見ると、コギングトルクの低下の割合に比較して、界磁マグネットが発生する磁束の有効部分の低下の割合が小さくなり、両者の差が拡大する傾向は、当該磁気ベクトルの角度の変化率が1.0程度で飽和傾向を示し出し、0.8程度で飽和する。 The following limitation is also effective for the lower limit of the change rate of the angle of the magnetic vector. Referring to FIG. 3, the rate of decrease in the effective portion of the magnetic flux generated by the field magnet is smaller than the rate of decrease in cogging torque, and the difference between the two increases. When the rate of change is about 1.0, a saturation tendency is shown, and when the rate of change is about 0.8, saturation occurs.
すなわち、界磁マグネットの磁極の境界から±10°の範囲における界磁マグネットにおける磁気ベクトルの角度の変化率が1.0(より顕著には、0.8)以下の値となると、当該磁気ベクトルの角度の変化率の低下に対応した起動トルクの低下率とコギングトルクの低下率との有意な差の拡大は見られない。よって、起動トルクの低下を抑えつつ、且つ、コギングトルクの値を下げるには、当該磁気ベクトルの角度の変化率の下限を1.0、余裕を見て0.8とするのが望ましいことになる。 That is, when the rate of change of the angle of the magnetic vector in the field magnet in the range of ± 10 ° from the boundary of the magnetic pole of the field magnet becomes a value of 1.0 (more notably 0.8) or less, the magnetic vector There is no significant increase in the difference between the decrease rate of the starting torque and the decrease rate of the cogging torque corresponding to the decrease in the angle change rate. Therefore, it is desirable to set the lower limit of the rate of change of the angle of the magnetic vector to 1.0 and 0.8 to allow for a reduction in the value of the cogging torque while suppressing a decrease in the starting torque. Become.
(界磁マグネットの製造方法)
以下、図1の界磁マグネット102の製造方法の一例を説明する。まず界磁マグネットを製造するための着磁機能を備えた射出成形装置を説明する、図4は、着磁機能を備えた射出成形装置の一例を示す概念図である。図4には、射出成形装置400が示されている。射出成形装置400は、キャビティー空間401を備えた金型402を備えている。キャビティー空間401は、図1の界磁マグネット102を生成するための型となる空間である。
(Field magnet manufacturing method)
Hereinafter, an example of a manufacturing method of the
金型402は分割可能な構造とされ、支持構造体403により押さえ付けられている。符号404は、キャビティー空間400に充填され、界磁マグネット102の形状とされた原料中の磁性体の結晶軸を制御するための励磁コイルである。
The
射出成形装置400は、キャビティー空間401に原材料を射出するための押し出し部材405を備えている。押し出し部材405は、射出用シリンダ406内を摺動する。押し出し部材405は、シリンダ408内を摺動するピストン407によって駆動される。ピストン407は、油圧によって駆動される。この油圧は、制御弁409によって調整される。制御弁409は、制御コンピュータ410によって制御される。また制御コンピュータ410は、励磁コイル404に励磁電流を流す励磁コイル制御装置411の制御を行う。
The
図1の界磁マグネット102は、原料として異方性Sm−Fe−N磁石粉末と樹脂の粉末を混合したものを原料とする。成型に当たっては、まずこの原料を加熱して樹脂成分を溶融させ、それを射出用シリンダ406内に充填する。次いで、キャビティー空間に励磁コイルから励磁磁束を加えた状態で、上記樹脂成分が溶融した原料を油圧によりキャビティー空間400内に射出する。そして溶融した樹脂成分が固化する過程で、励磁磁束により、磁石粉末の結晶軸を制御する。
The
この際、励磁コイル404から加えられる磁場により、図1に示す磁気ベクトルの分布状態が得られる。この磁気ベクトルの分布状態は、励磁コイル404からの励磁用磁束の分布状態や強さ、キャビティーに充填する原料の配合、樹脂の種類や配合、射出成形条件、樹脂の温度、金型の温度等の影響を受ける。言い替えると、これらパラメータを制御することで、図1に示す磁気ベクトルの分布状態を制御することができる。この制御の内容は、実験的に決めればよい。この例では、まず図1に示す磁気ベクトルの状態を得る条件を実験的に見出し、更に図1の機械角0°、90°、180°、270°の部分の±10°の範囲における磁気ベクトルの角度の変化率の調整を、励磁コイルに流す励磁電流の値により制御している。
At this time, the magnetic vector distribution state shown in FIG. 1 is obtained by the magnetic field applied from the
(2)第2の実施形態
次に、円環状からなるヨークの内周面に沿って固定された円環状の界磁マグネットを備えた直流モータについて説明する。図5は、本発明を利用した直流モータの断面構造を示す断面図である。図5には、直流モータ500が示されている。直流モータ500は、円筒形状のヨーク501内に同じく円筒形状の界磁マグネット502を収めた構造とされている。界磁マグネット502は、磁気ベクトル505により示される状態に着磁されている。
(2) Second Embodiment Next, a DC motor including an annular field magnet fixed along the inner peripheral surface of an annular yoke will be described. FIG. 5 is a cross-sectional view showing a cross-sectional structure of a DC motor using the present invention. FIG. 5 shows a
この例において、界磁マグネット502の磁極は、図示する機械角45°、135°、225°、315°の角度部分となる。界磁マグネット502における磁極間の境界は、0°(360°)、90°、180°、270°の角度部分となる。
In this example, the magnetic poles of the
界磁マグネット502の内側には、突極を6極備えた回転子503が配置されている。回転子503は、回転軸504の回りを回転可能であり、各突極には、図示省略したコイルが巻かれている。図示省略したブラシ機構からこれら各突極のコイルに電流が流れることで、回転子503は、回転軸504の回りを回転する。これらの機構は、通常の直流モータと同じである。
A
(その他)
第1および第2の実施形態において、界磁マグネットの磁極の数は、4に限定されない。回転子の磁極の数も図示する6に限定されない。
(Other)
In the first and second embodiments, the number of magnetic poles of the field magnet is not limited to four. The number of magnetic poles of the rotor is not limited to 6 shown in the figure.
本発明は、直流モータに利用することができる。 The present invention can be used for a DC motor.
100…直流モータ、101…ヨーク、102…界磁マグネット、103…回転子、104…回転軸、105…磁気ベクトル、400…射出成形装置、401…キャビティー空間、402…金型、403…支持構造体、404…励磁コイル、405…押し出し部材、406…射出用シリンダ、407…ピストン、408…シリンダ、409…制御弁、410…制御コンピュータ、411…励磁コイル制御装置。
DESCRIPTION OF
Claims (6)
回転中心から見て、
前記界磁マグネットの磁極の中心において、前記界磁マグネットにおける磁気ベクトルがラジアル方向と平行または略平行であり、
前記界磁マグネットの隣接する磁極の境界において、前記界磁マグネットにおける磁気ベクトルがラジアル方向に対して垂直または略垂直であり、
前記界磁マグネットの磁極の境界から±10°の範囲における前記磁気ベクトルの角度の変化率が、0より大きく1.5以下であることを特徴とするモータ用磁石。 A field magnet having a plurality of magnetic poles fixed along the inner peripheral surface of the annular yoke,
Seen from the center of rotation,
At the center of the magnetic pole of the field magnet, the magnetic vector in the field magnet is parallel or substantially parallel to the radial direction,
At the boundary between adjacent magnetic poles of the field magnet, the magnetic vector in the field magnet is perpendicular or substantially perpendicular to the radial direction,
A motor magnet, wherein a rate of change of an angle of the magnetic vector in a range of ± 10 ° from a boundary between magnetic poles of the field magnet is greater than 0 and 1.5 or less.
前記界磁マグネットの内側に配置された複数の突極を備えた回転子と
を備えることを特徴とする直流モータ。 A field magnet using the motor magnet according to any one of claims 1 to 5,
A DC motor comprising: a rotor having a plurality of salient poles arranged inside the field magnet.
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