JP4391964B2 - リング型磁石及びリング型磁石の製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、起磁力分布の高調波を低減することができ、トルクムラを低減することができるリング型磁石に関するものである。

永久磁石モータのインナーロータ等に使用されるラジアル配向のリング型磁石は、コギングトルク等の回転むらを低減するため、磁極を軸方向に斜めに形成するスキュー着磁されることが多かった。しかし、ラジアル配向されたリング型磁石の起磁力分布は矩形であり、高次成分による歪を多く含むため、スキュー着磁だけでは、十分にコギングトルクを低減する効果が得られなかった。

そのため、従来、例えば、下記特許文献１又は特許文献２に示すように、リング型磁石の外周に凹凸部を形成し、かつこの凹凸部を軸方向にスキューする方法があった。この方法によると、回転方向の磁化分布の歪を低減した上で、スキューでさらにコギングトルクを低減できる効果がある。

特開平９−３５９３３号公報（図３） 特開２００１−２１１５８１号公報（請求項１、図１）

以上のように、リング型磁石の起磁力の回転方向分布には、コギングトルクやトルクリップルの原因となる歪み波が多く含まれるため、トルクムラが発生していた。

また、リング型磁石の場合、磁極と磁極の間でも磁石でつながっているため、起磁力を０に近づけ、歪を少なくできるようにコントロールすることが困難であった。

そのため、上記特許文献に示すように、磁極を斜めに形成するスキュー着磁などが行われていたが、トルクムラを十分に小さくすることは困難であった。さらに、スキュー着磁は磁石の発生する磁束がキャンセルしあうため、磁石を有効に使うことができないといった問題もあった。

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、起磁力分布の高調波を低減することができ、トルクムラを低減することができるリング型磁石を提供することを目的とする。

また、磁極のスキュー角度が小さい、あるいはスキューしなくてトルクムラを低減することができるリング型磁石を提供することを目的とする。

この発明に係るリング型磁石は、リング外周の円周方向に周期的な凹凸形状が形成され、凹凸形状の凸部に磁極の中心が、凹部に磁極の境界がくるように着磁され、磁気配向の向きがリング型磁石中心軸と凸部中心を結ぶ凸部中心線上の外周側の点に向かっており、
上記リング外周の凹凸形状の凹部の最小径方向厚さをｔｍｉｎ、凸部の最大径方向厚さをｔｍａｘとする場合、ｔｍｉｎ／ｔｍａｘが０．５以上０．９以下であり、
リング型磁石の任意の位置及び上記リング型磁石の中心軸を結ぶ線と上記凸部中心線のなす角度をα、上記任意の位置の配向の向きと上記凸部中心線のなす角度をβとする場合（ただし、α＝０、β＝０の場合を除く）、５×ｔｍｉｎ／ｔｍａｘ−１≧β／α≧５×ｔｍｉｎ／ｔｍａｘ−３の関係が成り立つことを特徴とする。

この発明に係るリング型磁石の製造方法は、磁性粉末をリング型に加圧するとともに、リング型のラジアル方向に磁場を加えることによりラジアル配向されたリング型磁石成形体を成形し、焼結一体化して得られ、リング外周の円周方向に周期的な凹凸形状が形成され、上記凹凸形状の凸部に磁極の中心が、凹部に磁極の境界がくるように着磁され、磁気配向の向きがリング型磁石中心軸と上記凸部中心を結ぶ凸部中心線上の外周側の点に向かっており、上記リング外周の凹凸形状の凹部の最小径方向厚さをｔｍｉｎ、凸部の最大径方向厚さをｔｍａｘとする場合、ｔｍｉｎ／ｔｍａｘが０．５以上０．９以下であり、リング型磁石の任意の位置及び上記リング型磁石の中心軸を結ぶ線と上記凸部中心線のなす角度をα、上記任意の位置の配向の向きと上記凸部中心線のなす角度をβとする場合（ただし、α＝０、β＝０の場合を除く）、５×ｔｍｉｎ／ｔｍａｘ−１≧β／α≧５×ｔｍｉｎ／ｔｍａｘ−３の関係が成り立つリング型磁石の製造方法であって、
内周に周期的な凹凸形状を有する強磁性で構成される強磁性部と、強磁性部の内側に内周が凹凸形状を有し、当該凹凸形状が上記強磁性部の凹凸形状と相反する位相とである非磁性で構成される非磁性部とを有するダイと、ダイの内周側に配置されて磁性粉末が充填されるキャビティを形成するコアと、ダイの非磁性部の凹凸形状と嵌り合う形状の上パンチを備え、コアからダイに向けてラジアル配向磁場を加えるとともに、上パンチによりキャビティ内に充填した磁性粉末を加圧成形することを特徴とする。

この発明のリング型磁石によれば、起磁力分布の高調波を低減することができ、トルクムラを低減することができる。

この発明のリング型磁石の製造方法によれば、リング外周に凹凸形状を持たせ、配向方向を凸部中心線上の外側の点に向かって傾いたリング型磁石を容易に製造することができ、起磁力分布の高調波の低減、トルクムラの低減を図ることができる。

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及び図２はこの発明の実施の形態１によるリング型磁石を示す断面図及び斜視図である。

本実施の形態によるリング型磁石１０は、ネオジム（Ｎｄ）、鉄（Ｆｅ）、ボロン（Ｂ）を主成分とした焼結磁石であり、図１に示すように、リング外周には凹部１１及び凸部１２を有する凹凸形状が形成されている。また、凹部１１及び凸部１２はリング型磁石１０の円周方向に周期的に形成されている。さらに、リング外周の凸部１２に磁極の中心が、凹部１１に磁極の境界がくるように着磁されている。図１のリング型磁石１０では、凹部１１及び凸部１２がそれぞれ８個ずつ所定角度間隔（４５度間隔）で設けられ、８極の磁極を形成している。

図１の矢印２０は、リング型磁石１０の磁気配向（以下、配向と称する）の向きを示し、着磁後の磁化方向を表している。図１に示すように、本実施の形態のリング型磁石１０は、各磁極の配向の向き（矢印２０）が、リング型磁石中心軸と凸部中心を結ぶ凸部中心線上の外周側の点に向かって傾斜していることを特徴とする。なお、リング型磁石１０の配向の向きについては、後ほど詳細に説明する。

また、図２に示すように、リング型磁石１０の外周に形成された凹凸形状は、リング型磁石１０の軸方向にわたって所定角度回転して斜めに形成されている。リング型磁石１０の磁極は、上記凹凸形状に沿って軸方向に所定角度回転して斜めに形成され、スキュー着磁が施されている。

従来のリング型磁石は外周が円形であり、磁石内の任意の位置において配向の向きが径方向に揃っている、いわゆるラジアル配向が用いられていた。
図３は図１と同様の外周形状を有するリング型磁石３０であり、その配向３１はラジアル配向の場合である。図１と比較するために示している。
図４は、本実施の形態のリング型磁石１０における磁石の径方向厚さ（以下、厚さと称する）と回転角度（電気角）の関係を示した図であり、磁石の厚さが最大３ｍｍとなっている。なお、通常のリング型磁石の場合は、回転角度に対して磁石の厚さは変化せず一定である。

図５は、リング型磁石の厚さが一定の場合であって、ラジアル配向の場合と、磁極中心に向けて配向に傾きがある場合（以下、擬似極配向と称する）における起磁力の回転角度（電気角）に対する分布の例を示している。
図６は本実施の形態のように回転方向に磁石厚さを変化させた場合であって、起磁力の回転方向分布を、配向がラジアル方向の場合（ラジアル配向）とリング型磁石中心軸と凸部中心を結ぶ凸部中心線上の外周側の点に向かっている場合（擬似極配向）を比較して示している。
図５において、磁極中心に向けて配向に傾きがある場合、磁極の中央部の磁束密度が高くなり、起磁力が高まっていることがわかる。図６において、回転方向に磁石厚さを変化させかつリング凸部の外周側の中心に向けて配向を傾けている場合、さらに磁極の中央部の磁束密度が高くなり、起磁力が高まる。また、磁極と磁極の間の部分は、配向が凸部の中央部を向いていることと、磁石の厚さが薄くなっていることから起磁力をより小さくすることができる。

次に、本実施の形態によるリング型磁石１０の配向の向きについて詳しく説明する。

まず、図１９において、リング型磁石の中心軸を１９１、リング型磁石中心軸１９１と凸部中心１２１とを結ぶ中心線を１９２とする。また、リング型磁石１０の任意の位置（位置Ａ、位置Ｂ）及びリング型磁石中心軸１９１を結ぶ線と凸部中心線１９２のなす角度をα（α１、α２）とする。さらに、リング型磁石１０の任意の位置（位置Ａ、位置Ｂ）の配向の向きと凸部中心線１９２のなす角度をβ（β１、β２）とする。

図２０〜図２５は、リング型磁石の凹凸形状の磁石厚さの比（ｔｍｉｎ／ｔｍａｘ＝１．０、０．９、０．８、０．６、０．４、０．３）における配向の向きと表面磁束密度分布の関係を示す図である。なお、ｔｍｉｎは凹部の最小厚さ、ｔｍａｘは凸部の最大厚さを示す。また、図２０〜図２５において、横軸は回転角度（電気角）、縦軸は磁束密度を示し、横軸の０点が磁極の中心（凸部の中心）を示している。なお、ｔｍａｘ＝３ｍｍ、リング型磁石１０の直径が３０ｍｍの例を示している。

図２０〜図２５において、配向の向きとしてラジアル配向、β＝α／２、β＝α、β＝２αの場合の各表面磁束密度を示す。また、各図には正弦波を記載している。ここで、正弦波からのズレ量の２乗平均が最小となるように正弦波の振幅を決めている（２．８度毎のポイントで計算）。そして、歪み率として正弦波からのズレ量の２乗平均の平方根の振幅に対する比率を算出して、図２６にまとめる。

図２６において、歪み率を０．１以下とするための各磁石厚さの比（ｔｍｉｎ／ｔｍａｘ）とβ及びαの関係を説明する。
（１）ｔｍｉｎ／ｔｍａｘ＝１．０の場合（図２０）、β／αが２以下では歪み率が０．１以下にはならない。β／α＞２で歪み率を０．１以下にしようとすると、製造上、配向をコントロールすることは困難となる。
（２）ｔｍｉｎ／ｔｍａｘ＝０．９の場合（図２１）、歪み率が０．１以下となるのは、配向がβ／α＝２の場合である。
（３）ｔｍｉｎ／ｔｍａｘ＝０．８の場合（図２２）、ラジアル配向では磁束密度が０．４３Ｔで矩形波に近く高調波歪みが多いが、配向がβ／α＝２では、磁極中心での磁束密度が０．５７Ｔと高く、歪みが少ない。歪み率が０．１以下となるのは、配向がβ／α＝１〜２の場合である。
（４）ｔｍｉｎ／ｔｍａｘ＝０．６の場合（図２３）、配向がβ／α＝２のときに磁極中心での磁束密度が０．５４Ｔと比較的高くかつ歪みが少ない磁束密度分布が得られる。歪み率が０．１以下となるのは、β／α＝０．２５〜２の場合である（０．２５は図２６には記載していないが、歪み率は０．０１８となる）。
（５）ｔｍｉｎ／ｔｍａｘ＝０．４の場合（図２４）、歪み率が０．１以下となるのは、β／α＝０．５〜１の場合である。しかしながら、ｔｍｉｎ／ｔｍａｘ＝０．４の成形を安定して行うことは困難である。
（６）ｔｍｉｎ／ｔｍａｘ＝０．３の場合（図２５）、歪み率が０．１以下となるのは、β／α＝０．５の場合である。しかしながら、ｔｍｉｎ／ｔｍａｘ＝０．３の成形を安定して行うことは極めて困難である。

図２７は、図２６において歪み率が０．１以下となるｔｍｉｎ／ｔｍａｘとβ／αの関係をプロットした図である。図２７において歪み率が０．１以下となる条件を満たす傾向を示した直線（実線）が次式（１）となる。

β／α≒５×ｔｍｉｎ／ｔｍａｘ−２・・・（１）

ここで、歪み率が０．１以下となる条件の成り立つ幅を含めて次式（２）の範囲（図２７の点線で囲まれた範囲）で効果があると考える。

５×ｔｍｉｎ／ｔｍａｘ−１≧β／α≧５×ｔｍｉｎ／ｔｍａｘ−３・・・（２）

このように、リング外周の凹凸形状の磁石厚さの最大最小の比（ｔｍｉｎ／ｔｍａｘ）が０．５以上０．９以下の場合、好ましくは０．６以上０．８以下の場合に、配向の向きをリング型磁石中心軸と凸部中心を結ぶ凸部中心線上の外周側の点に向かって傾斜させることにより、ラジアル配向に比べて、磁極中心での磁束密度を高くすることができ、磁束密度分布の高調波歪みを少なくすることができる。

また、本実施の形態のリング型磁石によれば、リング外周に凹凸形状を持たせると共に、凸部中心線の外周側の点に向かって配向が傾くように構成しているので、磁極の中央部では起磁力が高く、磁極間では起磁力が弱まる。そのため、起磁力分布（回転方向）の正弦波からのずれである歪波のうち、５次高調波は１／２以下、７次高調波成分は１／３以下に低減できる。回転ムラであるトルクリップルやコギングトルクは主に５次、７次高調波の歪波の影響を受けるため、当該歪波が小さくなることで、トルクムラを大きく低減できることになる。

次に、本実施の形態のリング型磁石１０の具体的な構成について説明する。リング型磁石の組成は、Ｎｄ：３０ｗｔ％、Ｂ：１ｗｔ％、Ｄｙ：３ｗｔ％、Ｆｅ残りである。高周波溶解で混合した原料合金を水素脆性化処理し、ジェットミルにより粉砕し、平均粒径４μｍの磁性粉末を得る。その粉末に磁場を加えて磁性結晶の方向をそろえる配向を行い、外周に凹凸形状を有するリング型磁石成形体に圧縮成形し、真空中で１０８０℃、９００℃、６００℃の焼結・熱処理工程を経て、リング型磁石焼結体を得る。

ここで、リング外周の凹凸形状に関して詳細に説明する。リング型磁石の軸に垂直な断面の外周の凹凸形状は、回転方向に対して厚さの変化がほぼ正弦波状である。磁石の最大厚さ（凸部）は３ｍｍ、最小厚さ（凹部）は１．８ｍｍである。軸長は１４ｍｍ、磁石最外径３０ｍｍである。本例では磁極数８であるため、正弦波状の厚さの変化は１周あたり４回の変動になる。スキュー角度は凹凸形状が軸長１４ｍｍの変化に対して１５度回転している。電気角６０度に相当する。

このリング型磁石を用い、１２スロットのステータと組み合せて、モータを製作した。コギングトルクを測定した結果、凹凸形状のない通常のリング型磁石を用いた場合に対して、コギングトルクを１／４以下に低減できた。

また、本実施の形態のリング型磁石はネオジム焼結磁石で構成され、強い磁力があり、モータの高い出力が得られるとともに、回転方向の磁石の起磁力分布を正弦波に近づけることができ、高調波歪みを低減できる。

さらに、本実施の形態のリング型磁石の高調波歪み成分が小さいこと、また、磁極を斜めに形成することによるコギングトルク低減効果も合わせることで、より小さなコギングトルクのモータを実現できる。

コギングトルクを小さくできるリング型磁石の比較例として、極配向リング型磁石（例えば、特開２００１−３１４０５０の従来例の図２等）がある。極配向リング型磁石の場合、磁石の外部から磁束の流れが全て磁石内部を通り、再び外部に出るように、配向が連続的につながる必要がある。そのため、磁石の厚さが必要であった。本実施の形態では、配向方向を傾けると共に、磁石の外周に凹凸部を設け、不要な磁石を取り除いた形状で、コギングトルクを低減できる効果を出すことができた。そのため、磁石量を少なくでき、モータの重量を軽くできる効果が得られる。

また、Ｎ極とＳ極の境界である磁極間は凹部にある。磁極間はステータの発生する強い逆磁界が加わりやすく、磁石は減磁しやすいが、最も減磁しやすい部分は凹形状となり磁石はなく、減磁による特性変化が少ないといった特徴も得られる。

スキュー角度は電気角で６０〜７２度の範囲とその周辺で大きな効果が得られるが、モータによっては、これ以外の角度でも効果が得られることがある。また、低減したいコギングトルクの成分によっても角度を変えることで対応できる。

スキュー角度は、上述した角度の半分程度の３０〜３５度でも５次、７次高調波歪は４０％程度低減できる、仮に２０度でも２０％程度は低減できる。５次、７次の高調波歪は少なくなっているため、少ないスキュー角度で大きなコギングトルクの低減が可能である。

このように、本実施の形態のリング型磁石では起磁力分布の歪が少なくなっているため、磁極のスキュー角度を小さくしても、トルクムラを低減できる。従ってスキュー角度を小さくすることができる。スキュー着磁により斜めに磁極の境界が形成された領域では、Ｓ極とＮ極の磁束量がキャンセルし合い、トルクの発生に寄与しなくなる。スキュー角度を小さくすることで、同じモータ電流（ステータのコイルへの通電電流）に対するトルクを高くすることができる。あるいは、電流を少なくしても、同じトルクを得ることができる。

そのため、トルクムラが少なく、高出力のモータや高効率モータを実現することができる。また、同じ出力ではモータを小型化することもできる。また、トルクの発生に寄与しない磁石部分を少なくできるため、モータ自身の重量を軽量化できる。さらに、ロータ慣性を小さくできるため、モータの制御性が高くなり、応答の速いモータを得ることができる。

上記の説明では、組成Ｎｄ、Ｂ、Ｆｅ、Ｄｙのリング型焼結磁石の例を示したが、Ｃｏ、Ａｌ、Ｃｕ、その他添加元素を加えてもよい。また他の異方性の組成を持つリング型焼結磁石であっても良い。さらに、焼結磁石に限らず、ボンド磁石（磁性粉末を熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂等の結合剤により成形した磁石）等でも同様の構成の磁石を製作することにより同様の効果を得ることができる。

磁石の厚さの変化の範囲は磁石の強度が許す範囲で大きく変えることでより大きな効果を得ることができる。ただし、薄くなると磁石が減磁しやすく特性の変動が大きくなる。上述した磁石厚さの最大最小の比（ｔｍｉｎ／ｔｍａｘ）が０．５以上０．９以下の場合では、減磁は実用上問題ない。また、磁石の強度を高める点から、製造上、リング型磁石成形体が割れないためにある程度の厚さが必要である。凹部の厚さが薄くなりすぎると、成形体が割れやすく、生産性が悪くなる。

上記の説明では凹凸形状における厚さの変動は正弦波状としたが、他の繰返し関数や２次関数にしたがって凹凸部を繰返すことでも、同様の効果を得ることができる。なお、本実施の形態における凹凸形状は滑らかであって不連続に変化するエッジがない。リング型磁石の凹凸形状にエッジがあると、ステータのスロット開口部のエッジ部と、当該磁石のエッジが接近した時に、その間の吸引力が急激に増大するため、コギングトルクが大きくなる。すなわち、本実施の形態では凹凸形状にエッジを持たないことで、その分コギングトルク成分を抑制することができる。

また、上述の説明において、磁石は８極の例で示したが、６極、４極、あるいは１０極以上他の極数でも同様の効果を得ることができる。

なお、リング型磁石内部の配向の向きは、２次元磁場解析での断面形状と配向方向を与えた２次元磁場解析結果と表面磁束密度の測定結果の比較で確認できる。
また、実験的には、ラジアル配向のリング型磁石に外径加工で凹凸形状を設けた磁石と、本実施の形態のリング型磁石の表面磁束密度分布を、上記の磁場解析結果を比較して確認できる。
さらに、リング型磁石内部の配向の向きは、断面の結晶の向き、磁区などの観察でも行うことができる。

実施の形態２．
図７はこの発明の実施の形態２によるリング型磁石を示す斜視図である。本実施の形態のリング型磁石の軸方向に垂直な断面形状と配向方向は図１と同様である。すなわち、図７において、リング型磁石７０のリング外周は、凹部７１及び凸部７２を有する凹凸形状となっている。凹部７１及び凸部７２は、リング型磁石７０の円周方向に周期的に形成されている。また、凸部７２に磁極の中心が、凹部７１に磁極の境界がくるように着磁されている。図７のリング型磁石７０では、凹部７１及び凸部７２がそれぞれ８個ずつ所定角度間隔（４５度間隔）で設けられ、８極の磁極を形成している。

また、リング型磁石７０内部の任意の点において、配向の向きは、リング型磁石中心軸と凸部中心を結ぶ凸部中心線上の外周側の点に向かっている。

本実施の形態においては、リング型磁石７０の外周に形成された凹凸形状は、軸方向の位置が変わっても回転せずにストレートである。

このように構成されたリング型磁石７０においても、起磁力分布は前述の図６のようになるため、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の５次、７次高調波等の歪みを十分に低減できる。

以上のように本実施の形態のリング型磁石７０を用いることで、コギングトルクやトルクリップルといったトルクムラの小さなモータを実現することができる。この場合、実施の形態１に比べるとスキューが成されていない分だけトルクムラ低減効果は小さいが、トルク発生に有効な磁束量は、スキューがない分増加する。従って、コギングトルク等のトルクムラの発生を小さく抑えてよりトルクの大きなモータを得ることができ、また、同じトルクを得るための電流を少なくすることができるため、小型で軽量、高効率のモータを実現することができる。

また、実施の形態１と同様に、ロータの重量、慣性が小さくなる効果が得られるため、モータの制御性も向上する。

実施の形態３．
図８はこの発明の実施の形態３によるリング型磁石を示す斜視図である。本実施の形態のリング型磁石８０は、軸方向に垂直な断面形状と配向方向が図１と同様に構成されたリング型磁石８０Ａを、軸方向に複数個（図８では２段）回転方向にずらして積み重ねて構成している。この場合、各リング型磁石８０Ａで発生するコギングトルクを打ち消すように上下の凹凸形状を所定角度回転させてリング型磁石８０Ａを積み重ねている。

各リング型磁石８０Ａは、そのリング外周に凹部８１及び凸部８２を有する凹凸形状が形成され、これら凹部８１及び凸部８２は円周方向に周期的に形成されている。また、凸部８２に磁極の中心が、凹部７１に磁極の境界がくるように着磁されている。また、リング型磁石８０Ａ内部の任意の点において、配向の向きは、リング型磁石中心軸と凸部中心を結ぶ凸部中心線上の外周側の点に向かって傾斜している。さらに、各リング型磁石８０Ａの外周に形成された凹凸形状は、軸方向の位置が変わっても回転せずにストレートに構成されている。

このように構成されたリング型磁石８０においても、起磁力分布は前述の図６のようになるため、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の５次、７次高調波等の歪みを低減することができる。

また、各リング型磁石８０Ａで発生するコギングトルクを打ち消すように凹凸形状を所定角度回転させてリング型磁石８０Ａを積み重ねることにより、コギングトルクをより小さく低減できる。

実施の形態４．
図９はこの発明の実施の形態４によるリング型磁石の軸方向に垂直な断面形状を示す。

本実施の形態によるリング型磁石９０は、円形状のリング外周部にＵ状の溝を削ることにより、凹部９１及び凸部９２を有する凹凸形状を形成している。凹部９１及び凸部９２は、リング型磁石９０の円周方向に周期的に形成されている。また、凸部９２に磁極の中心が、凹部９１に磁極の境界がくるように着磁されている。図９のリング型磁石９０では、凹部９１及び凸部９２がそれぞれ８個ずつ所定角度間隔（４５度間隔）で設けられ、８極の磁極を形成している。

図９の矢印９３は、リング型磁石９０の配向の向きを示し、着磁後の磁化方向を表している。図９に示すように、本実施の形態のリング型磁石９０は、各磁極の配向の向き（矢印９３）が、リング型磁石中心軸と凸部中心を結ぶ凸部中心線上の外周側の点に向かって傾斜していることを特徴とする。

また、リング型磁石９０の外周に形成された凹凸形状は、軸方向にわたって所定角度回転して斜めに形成されている。リング型磁石９０の磁極は、上記凹凸形状に沿って軸方向に所定角度回転して斜めに形成され、スキュー着磁が施されている。

図１０は図９と同様の外周形状を有するリング型磁石９５であり、その配向９６はラジアル配向の場合である。図９と比較するために示している。
図１１は、本実施の形態のリング外周にＵ状の溝が形成されているリング型磁石９０における磁石の径方向厚さと回転角度（電気角）の関係を示した図である。
図１２は、図５と同様、リング型磁石の径方向厚さが一定の場合であって、ラジアル配向の場合と、磁極中心に向けて配向に傾きがある場合（擬似極配向）における起磁力の回転角度（電気角）に対する分布の例を示している。
図１３は、本実施の形態のように回転方向に磁石厚さを変化させた場合であって、起磁力の回転方向分布を、ラジアル配向の場合と配向がリング型磁石の凸部の外周側の中心線に向かって傾いている場合（擬似極配向）を比較して示している。
図１３に示すように、回転方向に磁石厚さを変化させかつリング凸部の外周側の中心線に向けて配向を傾けている場合、磁極の中央部の磁束密度が高くなり、起磁力が高まる。また、磁極と磁極の間の部分は、配向が凸部の中央部を向いていることと、磁石の厚さが薄くなっていることから起磁力をより小さくすることができる。

本実施の形態のように、円形のリング外周部にＵ状の溝を削ることにより凹凸形状を形成しているので、厚みの変化が比較的少なく成形がしやすい。また、起磁力分布の７次高調波は実施の形態１の場合に比べて少なく、１／２程度である。５次高調波の低減は同様に１／２程度が得られている。磁極のスキュー角度を７次高調波をキャンセルできる電気角（３６０／７０度）で４０〜６０度のスキューをかけることにより、７次高調波をキャンセルすることができるため、トルクムラの大きな低減効果を実現できる。

以上のように本実施の形態によれば、リング外周の凹凸形状の径方向厚さの変化が比較的少ない場合でも、実施の形態１と同様に、コギングトルク等のトルクムラが少なく、高出力のモータや高効率モータを実現することができる。また、同じ出力ではモータを小型化することもできる。また、トルクの発生に寄与しない磁石を少なくできるため、モータ自身の重量を軽量化できる。さらに、ロータ慣性を小さくできるため、モータの制御性が高くなり応答の速いモータを得ることができる。

実施の形態５．
以下、実施の形態１に示したリング型磁石の製造工程について説明する。特に、金型内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、外形に凹凸を有するリング型に圧縮成形する磁場成形工程について詳しく説明する。

図１４はリング型磁石の磁石成形ラインの例を示す。図１４の磁石成形ラインは、搬送金型１００を搬送するベルトコンベア２と、搬送金型１００のキャビティ内に磁性粉末を計量して供給し充填する給粉・充填ユニット３と、搬送金型１００のキャビティ内に充填された磁性粉末を加圧するための上パンチをセットするパンチセットユニット４と、上パンチがセットされ加圧成形できる状態になった搬送金型１００で磁場加圧成形を行う磁場成形ユニット５と、磁場加圧成形されたリング型磁石成形体を搬送金型１００から抜き出すための脱型ユニット６と、抜き出されたリング型磁石成形体に付着する余分な磁性粉末を取り除くための成形体脱粉ユニット７と、磁場加圧成形されたリング型磁石成形体を積み重ねるための段積みユニット８と、搬送金型１００に付着した磁性粉末を除去し、搬送金型１００を搬送状態にセットする金型脱粉／金型セットユニット９を備えている。

図１５は搬送金型１００の例を示す。搬送金型１００は、ベルトコンベア２上を移動するパレット１００ａと、下金型部を保持するホルダー（第１のホルダー）１００ｂ及び１００ｃと、コア１００ｄ、下パンチ１００ｅ、下パンチ１００ｅとコア１００ｄとで磁性粉末が供給されるキャビティ１００ｈを形成するダイ１００ｆからなる下金型部と、別のホルダー（第２のホルダー）１００ｊに保持された上パンチ１００ｇ（上金型部）とを備えている。なお、第１のホルダーの上端の円環部１００ｃは非磁性体部材であり、第１のホルダーのその他の部分１００ｂは強磁性体部材である。

給紛・充填ユニット３では、ダイ１００ｆ、下パンチ１００ｅ、コア１００ｄで形成されるキャビティ１００ｈに磁性粉末が給紛され、パンチセットユニット４では、上パンチ１００ｇが磁性粉末が充填されたキャビティ１００ｈ上にセットされる。磁場成形ユニット５では、配向コイルによる磁場がキャビティ１００ｈ内に印加されるとともに上パンチ１００ｇを介して磁性粉末は加圧成形される。脱型ユニット６では、上下パンチ１００ｇ、１００ｅとコア１００ｄを押さえた状態にしてダイ１００ｆを抜いた後、コア１００ｄからリング型磁石成形体を抜き取る。なお、ダイ１００ｆは複数に分割される構造でもよく、この場合、ダイ１００ｆを分割して、リング型磁石成形体を取出しても良い。

図１６は、磁場成形ユニット５の構成及び動作を説明する断面図である。図１６に示すように、磁場成形ユニット５は、磁性粉末を配向させるための配向磁場を発生する上下電磁コイル５ａ（フレームに固定されている）と、上側電磁コイル５ａ及び上パンチ１００ｇを加圧する加圧子５ｃを昇降させる圧縮成型機構５ｂと、リング状弾性部材５ｊと、図示していないエアシリンダによって駆動されてダイ１００ｆと接触するバックヨーク５ｄを備えている。加圧子５ｃには、可動ロッド５ｆと、可動ロッド５ｆをコア１０ｄに押し付けるバネ５ｇを備えている。

図１６（ａ）に示すように、搬送金型１００が磁場成形ユニット５にセットされると、図１６（ｂ）に示すように、圧縮成型機構５ｂが作動し、上側電磁コイル５ａ及び加圧子５ｃが下降し、上側及び下側フレーム同士がチャッキング機能によって固定されると共に、上側フレームの下部に取り付けられたリング状弾性部材５ｊにより、ダイ１００ｆが固定される。その後、ダイ１００ｆの両側からバックヨーク５ｄが移動し、ダイ１００ｆの外周に密着する。次いで、電磁コイル５ａに電流が流されてラジアル配向磁場が発生するとともに、加圧子５ｃが下降し、上パンチ１００ｇが加圧され、図１６（ｃ）に示すように、上パンチ１００ｇがキャビティ１００ｈ内の磁性粉末を圧縮成型することによってラジアル配向されたリング型磁石成形体が得られる。圧縮成型圧力は１０〜１００ＭＰａ、好ましくは４０ＭＰａとし、配向磁界は１Ｔ以上にする。

上記磁場成形ユニット５において、実施の形態１のリング外周に凹凸形状を有するリング型磁石を成形するためには、ダイ１００ｆの内側に同様の凹凸形状が形成されている必要がある。そして、上パンチ１００ｇはダイ１００ｆの凹凸形状に嵌り合う円筒形状となっており、磁性粉末の加圧時には、上パンチ１００ｇがダイ１００ｆにねじれながら挿入される構造になっている。さらに、配向方向をリング外周の凸部中心線に向かって傾かせるため、ダイ１００ｆの断面は図１７のように構成されている。

図１７において、ダイ１００ｆは、内周に周期的な凹凸形状を有する強磁性で構成される強磁性部１０４と、強磁性部１０４の内側に内周が凹凸形状を有し、当該凹凸形状が強磁性部１０４の凹凸形状と相反する位相とである非磁性で構成される非磁性部１０５とを有する。そして、ダイ１００ｆの内周側に配置されてキャビティを形成するコア１００ｄを備え、コア１００ｄからダイ１００ｆに向けてラジアル配向磁場が加えられる。すなわち、リング型磁石成形体１０００の外周の凸部に相当する部分には、強磁性部１０４の内径が飛び出して接している（非磁性体１０５の厚さが無いか薄い）。一方、リング型磁石成形体１０００の凹部に相当する部分は非磁性体１０５の厚さが厚く、強磁性体１０４の内径から離れている。このため、強磁性体であるコア１００ｄが中心に挿入されて磁場成形を行う状態では、コア１００ｄからの磁束はダイ１００ｆの非磁性部１０５の厚さが薄く、強磁性体１０４が内径側に飛び出した部分に集中するため、配向磁場の向きは、リング型磁石成形体の凸部中心線に向かって傾いた分布となる。そのため、実施の形態１で示したような配向分布を持ったリング磁石成形体を成形できる。その後、焼結、熱処理工程を経て、リング型焼結磁石となる。

以上のように本実施の形態によれば、リング外周に凹凸形状を持たせ、配向方向を凸部中心線上の外側の点に向かって傾いたリング型焼結磁石を容易に製造することができる。また、上記製造方法によれば、軸方向の長さの短い金型を使用することができるため、凹凸形状があっても容易に成形ができ、リング型磁石成型体の破損が少なく、歩留りが高くなる。また金型の劣化も抑制できる。軸長の長いリング型磁石も成形体を積層し焼結で一体化することで、上述の特徴を活かしたまま、生産性よく製造できる。

図１８は、この発明の実施の形態５のリング型磁石の製造に使用されるダイの他の例を示す断面図である。図１８のダイ１００ｆでは、配向磁場をリング型磁石成形体１０００の凸部に集中するように傾けるために、リング型磁石成形体１０００の外周側でその凹部に沿う位置に、交互に方向が相反する軸方向の電流１０８を流すようにする。また、金型にコイルを設置し通電しながら磁場成形を行っても同等の効果を得ることができる。あるいはラジアル配向で圧縮成形した後、パルス状に上記磁界を後から加えても同等の効果を得ることができる。

この発明の実施の形態１によるリング型磁石を示す断面図である。 この発明の実施の形態１によるリング型磁石を示す斜視図である。 図１と同様の外周形状を有するリング型磁石を示す断面図である。 この発明の実施の形態１によるリング型磁石の磁石の径方向厚さと回転角度（電気角）の関係を示した図である。 リング型磁石の厚さが一定の場合の、ラジアル配向と擬似極配向とにおける起磁力の回転角度（電気角）に対する分布の例を示す図である。 この発明の実施の形態１によるリング型磁石の、ラジアル配向と擬似極配向とにおける起磁力の回転角度（電気角）に対する分布の例を示す図である。 この発明の実施の形態２によるリング型磁石を示す斜視図である。 この発明の実施の形態３によるリング型磁石を示す斜視図である。 この発明の実施の形態４によるリング型磁石を示す断面図である。 図９と同様の外周形状を有するラジアル配向のリング型磁石を示す断面図である。 この発明の実施の形態４のリング型磁石における磁石の径方向厚さと回転角度（電気角）の関係を示した図である。 リング型磁石の厚さが一定の場合の、ラジアル配向と擬似極配向とにおける起磁力の回転角度（電気角）に対する分布の例を示す図である。 この発明の実施の形態４によるリング型磁石の、ラジアル配向と擬似極配向とにおける起磁力の回転角度（電気角）に対する分布の例を示す図である。 この発明の実施の形態５によるリング型磁石の磁石成形ラインを示す図である。 この発明の実施の形態５のリング型磁石の製造に使用される搬送金型を示す平面図及び断面図である。 この発明の実施の形態５のリング型磁石の製造に使用される磁場成形ユニットの構成及び動作を説明する断面図である。 この発明の実施の形態５のリング型磁石の製造に使用されるダイを示す断面図である。 この発明の実施の形態５のリング型磁石の製造に使用されるダイの他の例を示す断面図である。 この発明の実施の形態によるリング型磁石の配向の向きを説明するための図である。 リング型磁石の凹凸形状の磁石厚さの比（ｔｍｉｎ／ｔｍａｘ＝１．０）における配向の向きと表面磁束密度分布の関係を示す図である。 リング型磁石の凹凸形状の磁石厚さの比（ｔｍｉｎ／ｔｍａｘ＝０．９）における配向の向きと表面磁束密度分布の関係を示す図である。 リング型磁石の凹凸形状の磁石厚さの比（ｔｍｉｎ／ｔｍａｘ＝０．８）における配向の向きと表面磁束密度分布の関係を示す図である。 リング型磁石の凹凸形状の磁石厚さの比（ｔｍｉｎ／ｔｍａｘ＝０．６）における配向の向きと表面磁束密度分布の関係を示す図である。 リング型磁石の凹凸形状の磁石厚さの比（ｔｍｉｎ／ｔｍａｘ＝０．４）における配向の向きと表面磁束密度分布の関係を示す図である。 リング型磁石の凹凸形状の磁石厚さの比（ｔｍｉｎ／ｔｍａｘ＝０．３）における配向の向きと表面磁束密度分布の関係を示す図である。 図２０〜図２５の正弦波からのズレ量の２乗平均の平方根の振幅に対する比率である歪み率を示す図である。 図２６において歪み率が０．１以下となるｔｍｉｎ／ｔｍａｘとβ／αの関係をプロットした図である。

符号の説明

１０，７０，８０，９０ リング型磁石、１１，７１，８１，９１ 凹部、
１２，７２，８２，９２ 凸部、２０，９３ 配向の向き、１００ｆ ダイ、
１０４ 強磁性部、１０５ 非磁性部、１０８ 電流、１９１ リング型磁石中心軸、
１９２ 凸部中心線、１０００ リング型磁石成形体。

Claims (9)

1. リング外周の円周方向に周期的な凹凸形状が形成され、上記凹凸形状の凸部に磁極の中心が、凹部に磁極の境界がくるように着磁され、磁気配向の向きがリング型磁石中心軸と上記凸部中心を結ぶ凸部中心線上の外周側の点に向かっており、
   上記リング外周の凹凸形状の凹部の最小径方向厚さをｔｍｉｎ、凸部の最大径方向厚さをｔｍａｘとする場合、ｔｍｉｎ／ｔｍａｘが０．５以上０．９以下であり、
   リング型磁石の任意の位置及び上記リング型磁石の中心軸を結ぶ線と上記凸部中心線のなす角度をα、上記任意の位置の配向の向きと上記凸部中心線のなす角度をβとする場合（ただし、α＝０、β＝０の場合を除く）、５×ｔｍｉｎ／ｔｍａｘ−１≧β／α≧５×ｔｍｉｎ／ｔｍａｘ−３の関係が成り立つことを特徴とするリング型磁石。
2. 上記リング型磁石の外周に形成された凹凸形状は、上記リング型磁石の軸方向にわたって所定角度回転して斜めに形成されていることを特徴とする請求項１に記載のリング型磁石。
3. 上記リング型磁石の外周に形成された凹凸形状は、上記リング型磁石の軸方向にわたって回転せずにストレートに形成されていることを特徴とする請求項１に記載のリング型磁石。
4. 請求項３に記載のリング型磁石を、軸方向に複数個所定角度回転方向にずらして積み重ねて構成していることを特徴とするリング型磁石。
5. 上記リング外周の凹凸形状は、ほぼ正弦波形状であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のリング型磁石。
6. 上記リング外周の凹凸形状は、円形状のリング外周部にＵ状の溝を削ることにより形成していることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のリング型磁石。
7. 上記リング型磁石は、磁性粉末を磁場で配向させ、圧縮成形し、焼結工程を経て製造されるリング型焼結磁石であることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のリング型磁石。
8. 磁性粉末をリング型に加圧するとともに、上記リング型のラジアル方向に磁場を加えることによりラジアル配向されたリング型磁石成形体を成形し、焼結一体化して得られ、リング外周の円周方向に周期的な凹凸形状が形成され、上記凹凸形状の凸部に磁極の中心が、凹部に磁極の境界がくるように着磁され、磁気配向の向きがリング型磁石中心軸と上記凸部中心を結ぶ凸部中心線上の外周側の点に向かっており、上記リング外周の凹凸形状の凹部の最小径方向厚さをｔｍｉｎ、凸部の最大径方向厚さをｔｍａｘとする場合、ｔｍｉｎ／ｔｍａｘが０．５以上０．９以下であり、リング型磁石の任意の位置及び上記リング型磁石の中心軸を結ぶ線と上記凸部中心線のなす角度をα、上記任意の位置の配向の向きと上記凸部中心線のなす角度をβとする場合（ただし、α＝０、β＝０の場合を除く）、５×ｔｍｉｎ／ｔｍａｘ−１≧β／α≧５×ｔｍｉｎ／ｔｍａｘ−３の関係が成り立つリング型磁石の製造方法であって、
   内周に周期的な凹凸形状を有する強磁性で構成される強磁性部と、上記強磁性部の内側に内周が凹凸形状を有し、当該凹凸形状が上記強磁性部の凹凸形状と相反する位相とである非磁性で構成される非磁性部とを有するダイと、上記ダイの内周側に配置されて上記磁性粉末が充填されるキャビティを形成するコアと、上記ダイの非磁性部の凹凸形状と嵌り合う形状の上パンチを備え、上記コアから上記ダイに向けてラジアル配向磁場を加えるとともに上記上パンチにより上記キャビティ内に充填した磁性粉末を加圧成形することを特徴とするリング型磁石の製造方法。
9. 上記ラジアル配向磁場内で加圧成形されたリング型磁石成形体を複数個積重ねた後、焼結により一体化することを特徴とする請求項８に記載のリング型磁石の製造方法。

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