JP3683442B2

JP3683442B2 - 多段長尺多極着磁円筒磁石ロータおよび永久磁石式モータ

Info

Publication number: JP3683442B2
Application number: JP27884599A
Authority: JP
Inventors: 孝治佐藤; 武久美濃輪; 浩二宮田
Original assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Priority date: 1998-09-30
Filing date: 1999-09-30
Publication date: 2005-08-17
Anticipated expiration: 2019-09-30
Also published as: JP2000175387A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、サーボモータ、スピンドルモータ等の同期式永久磁石モータ用円筒磁石ロータおよびこれを用いた永久磁石式モータの改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
フェライトや希土類合金のような結晶磁気異方性材料を粉砕し、特定の磁場中でプレス成形して作製される異方性磁石は、スピーカ、モータ、計測器、その他の電気機器等に広く使用されている。
このうち、特にラジアル方向に異方性を有する希土類焼結磁石は、磁気特性に優れ、軸方向への自由な着磁が可能であり、またセグメント磁石のような磁石固定用の補強の必要もないため、ＡＣサーボモータ、ＤＣブラシレスモータ等に使用されている。特に近年、自動車用のパワーステアリング用など広範な用途で使用されている。
【０００３】
ラジアル配向を有する磁石は、磁場中での成形（磁場中成形法）により、または後方押し出し（後方押し出し法）により製造される。
磁場中成形法は、コアを介して磁場を対向方向から印加し、ラジアル配向を得るが、コアの形状により配向可能な磁石高さが決まるため、１台のプレス装置から１個の成形体を得る、いわゆる１個取り成形しか行えない。
このため、円筒状ラジアル異方性磁石の生産性は非常に低く、極めて高価なものとなる。また、コアを介して磁場を発生するため、十分な磁場が得られず、高配向が得られにくい。
一方、後方押し出し法は設備が大掛かりで、歩留まりが悪く、安価な磁石を製造することが困難であった。
このようにラジアル異方性磁石は、いかなる方法を用いても製造が難かしく、安く大量に製造することは困難であった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ラジアル異方性磁石を用いずとも円筒磁石に多極着磁が行え、磁束密度が高く、かつ極間の磁束密度のばらつきが小さければ、高性能の永久磁石式モータ用の磁石となりうる。
このため磁石を垂直磁場プレスにより製造し、円筒軸に垂直な一定の方向に配向した円筒磁石（以下、径方向配向円筒磁石という）をその周方向に多極着磁することにより、ラジアル異方性磁石を用いずに、多極磁石を作製する方法が提案された（電気学会マグネティクス研究会資料ＭＡＧ−８５−１２０，１９８５）。
【０００５】
垂直磁場プレスにより製造された径方向配向円筒磁石は、プレス機のキャビティが許すかぎりの長尺化（５０ｍｍ以上）が行え、加えて多連プレスが行えるので、１度のプレスで多数個の成形体が得られ、モータ用円筒磁石として高価なラジアル異方性磁石に換えて、廉価に供給することができる。
しかし、実際に垂直磁場プレスにより作製された径方向に１方向配向した磁石に多極着磁を行った円筒磁石は、配向方向近傍の極では磁束密度が高く、配向方向に垂直な方向の極では磁束密度が小さいため、モータに組み込み回転させると、極間の磁束密度のばらつきを反映したトルクむらが生じ、実用に耐えうるモータ用磁石が得られなかった。
【０００６】
本発明の目的は、ラジアル異方性磁石を用いずとも多極着磁が行え、磁束密度が高く、かつ極間の磁束密度のばらつきが小さく、モータに組み込み回転させたとき、トルクむらを生じることのない、廉価に大量生産可能な多段長尺多極着磁円筒磁石ロータおよびこれを用いた永久磁石式モータを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、上記課題を解決するために鋭意努力を重ね、極間の磁束のばらつきを軽減するために、下記の改良を加え、極間の磁束密度のばらつきを大きく軽減し、トルクむらのないスムーズな回転を実現できるモータ用磁石すなわち多段長尺多極着磁円筒磁石ロータおよびこれを用いた永久磁石式モータの製造を可能とした。
（１）垂直磁場成形法によって製造された円筒軸に垂直な一方向に配向した円筒磁石を、その外周面に多極着磁を行い永久磁石式モータのロータとするとき、軸方向に多段（２段以上）に積み重ねて長尺の円筒磁石とし、この多段長尺円筒磁石を永久磁石式モータ用ロータとする。
（２）多段円筒磁石の積み重ね数をｉ（ｉは２以上１０以下の正の整数）とするとき、各円筒磁石の配向方向を１８０／ｉの角度だけずらしてｉ個積み重ねて多極着磁を行い、永久磁石式モータ用の配向分散型多段多極着磁円筒磁石ロータとする。
（３）多極着磁の極数をｎ（ｎは１以上５０以下の正の整数）とするとき、積み重ね数ｉと着磁極数ｎとの間に、ｉ＝ｎ／２の関係を有する配向分散型多段多極着磁円筒磁石ロータとする。
（４）多段円筒磁石の外周面にｎ個の多極着磁を行なうに際し、一極の角度を３６０／ｎとし、この角度の１／１０から２／３の角度にスキュー着磁を行った長尺の多極スキュー着磁円筒磁石ロータとする。
（５）上記多段長尺円筒磁石を永久磁石式モータ用ロータとして用いて永久磁石式モータとする。
このような構成とすることにより、トルクむらがなく、廉価で優れた多極磁石およびこれを用いた永久磁石式モータの大量供給を実現した。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の径方向配向円筒磁石をＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系の円筒磁石について説明するが、本発明はこの系の磁石に限るものではない。
図１（ａ）は、着磁機１０を用いて円筒磁石１の着磁を行う様子を示し、図１（ｂ）は、円筒磁石の配向方向を（ａ）に対して９０°回転させて着磁を行う様子を示す着磁模式図である。なお、符号１１は着磁機磁極歯であり、符号１２は着磁機コイルである。
図２は、垂直磁場プレスにより作製したＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系円筒磁石に、図１（ａ）に示す配向方向で６極着磁を行い、表面磁束密度を測定したものである。
この結果、図２から、配向方向にあるＢ，Ｃ，Ｅ，Ｆ極では非常に大きな表面磁束密度が得られるが、配向方向に垂直な方向にあるＡ，Ｄ極では表面磁束密度が小さいことが認められる。
図１に示すような同じ角度幅を持つ着磁器具を用いて着磁を行ったにもかかわらず、配向方向とこれに垂直な方向とでは着磁幅が異なり、配向方向に広く、これに垂直な方向には非常に狭くなる。このため、垂直磁場プレスにより作製された一方向異方性円筒磁石では、極によって生じる総磁束量が大きい極と非常に小さな磁束量しか持たない極が存在することになり、モータとして使用すると、各極間でトルク差を生じ、このトルクむらのためにスムーズな回転が行えないことになる。
【０００９】
図１（ａ）に対して配向方向を９０°回転させて一方向異方性を有する円筒磁石に６極着磁を行った図１（ｂ）に示すものは、配向方向にあるＡ，Ｄ極では大きな磁束密度が得られ、Ｂ，Ｃ，Ｅ，Ｆ極の配向方向に垂直な方向の部分では磁束密度は小さくなる。
一方向異方性円筒磁石を輪切りして円筒軸方向に２等分割し、一方に対しもう片方を徐々に回転させて２段積みを行い、これを９０°まで回転させて段積みを行い、その後、図１（ａ）の配置で着磁を行うと、Ａ，Ｄ極では回転角が増えるにつれ徐々に総磁束量が増加し、Ｂ，Ｃ，Ｅ，Ｆ極では総磁束量は減少する。
このように垂直磁場成形により製造された、軸方向と垂直な方向に１方向配向した円筒磁石を、軸方向に２段以上積み重ねて多極着磁を行うことにより、各極間の磁束量のばらつきを低減することができ、モータとして用いた際のトルクむらを抑えることができる。
【００１０】
分割した磁石の配向方向を相対的に所定の角度回転させて多段（２段以上）積みして多極着磁することにより、配向方向とこれに垂直な方向との磁束量のばらつきを均一化し、極間の磁束量のばらつきを低減させることができる。このとき、積み重ねる各磁石の配向方向を１８０／ｉ度（ｉは積み重ね数）だけ角度をずらして積み重ね、多極着磁を行うことが好ましい。
また、分割数は配向方向を各極に均一に分布させるために、ｉ＝ｎ／２段（ｎは極数）とすることで、配向方向の磁束量の多い部分と、これに垂直な方向で磁束の少ない部分とをそれぞれ各極に均一に分布でき、これを１８０／ｉ度だけ角度をずらして積み重ね、多極着磁することで各極の総磁束量を等しくすることができる。
ｎが多くなると着磁極間が狭くなり、十分な着磁が困難となるのでｎは５０以下が好ましい。
また、ｉが大きく積み重ね数が多くなると、コストが高くなるのでｉは１０以下が好ましい。
【００１１】
垂直磁場プレスにより一方向異方性を有する円筒磁石に多極着磁を行ったものは、ラジアル異方性リング磁石に多極着磁を行った場合に比べ、極間付近の着磁性及び磁気特性が低いので磁束密度の極間部の変化が滑らかであり、モータのコギングトルクは小さい。なお、磁石をスキュー着磁するか、ステータ歯にスキューを施すことでさらにコギングトルクを低減することができる。
スキュー角度は、磁石ステータともに磁石１極分（３６０／ｎ度）の角度の１／１０以下であると、スキュー着磁によるコギングトルク低下の効果が小さく、２／３より大きいとモータのトルクの低下が大きくなるため、スキュー角は、磁石１極分の角度の１／１０から２／３の角度が好ましい。
【００１２】
【実施例】
（実施例１、２、比較例１）
それぞれ純度９９．７重量％のＮｄ，Ｄｙ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｍ（ＭはＡｌ，Ｓｉ，Ｃｕ）と純度９９．５重量％のＢを用い、真空溶解炉で溶解鋳造し、インゴットを作製した。このインゴットをジョウクラッシャーで粗粉砕し、さらに、窒素気流中でのジェットミル粉砕により平均粒径３．５μｍの微粉末を得た。この粉末を垂直磁場プレスにて、１２ｋＯｅの磁場中で１．０ｔ／ｃｍ² の成形圧にて成形した。得られた成型体は、Ａｒガス中１０９０℃で１時間焼結を行ない、引き続き５８０℃で１時間の熱処理を行なった。その後、加工して外径３０ｍｍ、内径２５ｍｍ、厚さ１５ｍｍの円筒磁石を得た。
上記磁石粉末を用い、該円筒磁石と同一条件でブロック磁石を作製した。このブロック磁石の特性は、Ｂｒ：１３．０ｋＧ，ｉＨｃ：１５ｋＯｅ，（ＢＨ）ｍａｘ：４０ＭＧＯｅであった。
【００１３】
実施例１は、作製した円筒磁石を、配向方向を６０°ずらして積み重ね、１段目の磁石配向方向が図１（ａ）の関係になるように配置し、６極着磁を行った。
実施例２は、ずらし角を９０°とし同様に６極着磁を行った。
さらに、比較例１として、実施例１と同じ磁石粉末を用い同一条件で外径３０ｍｍ、内径２５ｍｍ、厚さ３０ｍｍの円筒磁石を作製し、６極着磁を行った。
【００１４】
（実施例３）
実施例１と同じ磁石粉末を用い同一条件で外径３０ｍｍ、内径２５ｍｍ、厚さ１０ｍｍの円筒磁石を作製し、配向方向を６０°ずらして３段積み重ね、各段の円筒磁石の配向方向がそれぞれ図１（ｂ）の配置になるようにし、６極着磁を行った。この様子を図３に示す。図中の大矢印は、円筒磁石の各段の配向方向を示している。なお、符号２３はモータコアである。
【００１５】
これらの磁石を評価するために、横１０．５ｍｍ、縦３０ｍｍの四角形に銅細線を５０ターン巻きコイルを作製した。このコイルを円筒磁石に接した状態から磁石の磁力の影響を受けない遠方まで遠ざけ、この間のコイルを横切る磁束量をフラックスメータを用いて測定し、このときの円筒磁石の外周方向に磁束量を測定し、ピーク値を表１に示す。
【００１６】
【表１】

【００１７】
（実施例４、５）
図４は、９個のモータステータ歯２１を有する３相の永久磁石モータ２０の平面図を示したものである。着磁した円筒磁石をこの磁石と同一高さのステータ内に組み込んでモータを作製した。円筒磁石の内径部にはモータ軸となる強磁性コアが挿入接着されている。各ティースに銅細線をそれぞれ１５０ターン巻きした。このモータを１０００ｒｐｍで回転させ、このときの誘起電圧の絶対値の最大で、かつ１〜５ｒｐｍで回転させ、荷重計を用いてトルクリップルの大きさを測定した。符号２２はモータコイルである。
実施例４は、実施例２と同様にずらし角９０°で磁石を２段に重ね合わせ、スキュー角を磁石１極分の角度の１／３の２０°でスキュー着磁を行い、この磁石を図４のモータに組み込んだものである。
【００１８】
実施例５は、実施例３と同じ寸法の円筒磁石を用い、図３にずらし角６０°で磁石を３段に重ねてスキューなしに着磁し、スキュー角が磁石１極分の角度の１／３の２０°であるスキューステータ歯を有する図４のモータに組み込んだものである。
また、段積みをしない円筒磁石を比較例２とし、これらの誘起電圧、トルクリップルを測定し、誘起電圧とともにトルクリップルの最大最小の差を表２に示した。
【００１９】
【表２】

【００２０】
表２から、各実施例は実用に十分耐える誘起電圧を有し、トルクリップルも十分小さいが、比較例２はトルクリップルが大きく実用に適さないことが認められる。
また、図５に、実施例５の電気角に対する誘起電圧の変化を示す。誘起電圧はスムーズな正弦波を描いており、発生した誘起電圧にむらがないことが認められる。なお、曲線ａは図４のＵ−Ｖ相、曲線ｂはＶ−Ｗ相、曲線ｃはＷ−Ｕ相における誘起電圧曲線をそれぞれ示している。
【００２１】
（比較例３）
実施例４の径方向配向円筒磁石を着磁する際、スキュー角磁石１極分の角度５／６の５０°でスキュー着磁を行い、この磁石を図４のモータに組み込み、実施例４と同様にして誘起電圧およびトルクリップルを測定し、表２に示した。
表２から、トルクリップルの量は小さいが、誘起電圧の低下が大きく実用に適さないことが認められる。
【００２２】
（実施例６、比較例４）
実施例１のＮｄ磁石合金を用いて、垂直成形法により一軸配向のリング磁石を作製した。磁石寸法は外径２５ｍｍ、内径２０ｍｍ、厚さ１５ｍｍである。これを図６に示すように配向方向を６０°ずつ変化させながら６段積み重ねて磁石ローターを作製した。さらにこのローターを、７度のスキュー角で６極着磁した。
さらに比較例４として、同じ磁石を用いて配向方向を一方向にそろえたローターを作製し、同じく７度のスキュー角度で６極着磁した。これらをステータに組み込んで、トルクリップルを測定した。
その結果は、表２に示したとおりであり、実施例６では比較例に比べてトルクリップルが大きく低下しており、本発明による磁石の配向方向分散の効果が顕著であることがわかる。
【００２３】
【発明の効果】
本発明によれば、生産性が低く高価なラジアル異方性磁石を用いずに、多連、長尺品が容易に生産でき、廉価で大量に安定して供給できる垂直磁場プレスを用いた径方向配向円筒磁石を軸方向に積層し、多極着磁してモータ用ロータを作製し、これを組み込んで永久磁石式モータとすることで、ＡＣサーボモータ、ＤＣブラシレスモータ等の高性能化、モータの低価格化に多大な貢献をするものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）、（ｂ）は、着磁機を用いて円筒磁石の着磁を行う様子を示す着磁模式図であり、（ｂ）は、円筒磁石の配向方向を（ａ）に対して９０°回転させて着磁を行う様子を示す。
【図２】垂直磁場プレスにより作製したＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系円筒磁石に図１（ａ）に示す着磁機により６極着磁を行ったときの表面磁束密度を示す図である。
【図３】径方向配向円筒磁石を各６０°ずらして３段に積層した本発明の永久磁石式モータ用ロータを示す斜視図である。
【図４】６極に多極着磁した円筒磁石を９個のステータ歯に組み合わせた本発明の３相モータを示す平面図である。
【図５】径方向配向円筒磁石を組み込んだ３相モータを１０００ｒｐｍで回転させたときの誘起電圧と電気角との関係を示す図である。
【図６】径方向配向円筒磁石を各６０°ずらして６段に積層した本発明の永久磁石式モータ用ロータを示す斜視図である。
【符号の説明】
１．円筒磁石
１０．着磁機
１１．着磁機磁極歯
１２．着磁機コイル
２０．永久磁石式モータ
２１．モータステータ歯
２２．モータコイル
２３．モータコア

Claims

垂直磁場成形法によって製造された円筒軸に垂直な一方向に配向した円筒磁石を、その外周面を多極着磁して永久磁石式モータのロータに利用する場合において、該一軸異方性の円筒磁石を軸方向に２段以上多段に積み重ねて長尺の円筒磁石とし、これを永久磁石式モータ用ロータとすることを特徴とする多段長尺多極着磁円筒磁石ロータ。
円筒磁石の積み重ね数をｉ（ｉは２以上１０以下の正の整数）とするとき、各円筒磁石の配向方向を１８０／ｉの角度だけずらしてｉ個積み重ねてなる請求項１に記載の多段長尺多極着磁円筒磁石ロータ。
多極着磁の極数をｎ（ｎは１以上５０以下の正の整数）とするとき、積み重ね数ｉと極数ｎとがｉ＝ｎ／２の関係にある請求項２に記載の多段長尺多極着磁円筒磁石ロータ。
円筒磁石の外周面にｎ極の多極着磁を行なうに際し、一極の角度を３６０／ｎとし、この角度の１／１０から２／３の角度でスキュー着磁されてなる請求項１乃至３のいずれかに記載の多段長尺多極着磁円筒磁石ロータ。
請求項１乃至４のいずれかに記載の多段長尺多極着磁円筒磁石ロータを用いることを特徴とする永久磁石式モータ。