JP4796788B2 - コアレスモータ - Google Patents

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Description

本発明は、産業用,家電,自動車分野に使用される永久磁石モータの無コギングトルク化を実現し、かつ、高出力トルクで安価となることを実現するモータ構造に関するものである。
モータは、産業用,家電,自動車分野の電気エネルギーを機械出力に変換する駆動用機器として使用される。世界的に省エネ化が叫ばれるなかで、その変換効率が高いことが必要とされている。しかし、一方では、効率向上に加えモータの小形化も重要とされ、磁石モータなどでは、希土類を含んだ高エネルギー積磁石の採用や固定子コアの分割コア工法などによる固定子コアのコイル高密度化などにより小形化が実現されている。
しかし、一部の用途のモータにおいては、磁石のエネルギー積が高い為に、磁石の極数と固定子コアのスロット数の関係で発生するコギングトルクと呼ばれる脈動トルクが問題になるために、固定子磁極を使用しないコアレスモータでなければならない場合がある。一般的にこれらのモータは、コギングトルクは小さいが、エネルギーの変換効率においては固定子コアを有する永久磁石モータに比べ劣ると考えられている。
コアレスモータの出力トルクを改善する方法としては、文献1,2に示すような磁石の異方性を考慮した磁石配向にする方法がある。この方法は、等方性を有する特性に製造されたリング磁石を着磁によってその磁化方向を変化させて製造するが、磁石の厚みが厚い場合や、更に複雑な磁化方向に着磁することは困難となっている。
また、磁石の外径がφ50mmを超えるような大きい場合においては、リング磁石の製造は困難で、かつ、リング磁石の磁化方向が径方向(ラジアル方向)の場合には、熱膨張係数が負となるため、磁化方向の変化点で温度変化により割れたり、クラックが入る等の問題がある。このため、通常のリング磁石では、ロータとして組立した後に、磁石の表面をガラス繊維,炭素繊維等を含むバインドテープ等で表面を保護するか、ステンレス等の薄い金属の筒を被せて保護する等の手段を講じている。また、リング磁石でなく、極毎にセグメント形状の磁石を貼り付けて構成される場合においても、上述したものと同様に、ロータの外周面をバインド、円筒保護することが一般的である。
特開2004−56897号公報 特開2004−15906号公報 特開2005−20991号公報
解決しようとする課題は、コアレスモータにおいては、鉄心が無いために、ギャップ部分の磁束密度が低くなるため、少しでもギャップ寸法を小さくし、エネルギー積の大きい磁石を採用してギャップ磁束密度を大きくする設計をしたい。しかし、エネルギー積の大きい希土類焼結磁石を用いると上述の割れの問題で機械的に保護する部材の厚み分のギャップが余分に必要となる。また、ボンド磁石(磁石粉と樹脂バインダの成形体)で構成すると、希土類ボンド磁石であっても、磁石の厚みを厚くするなどの方法をとっても希土類の焼結磁石で構成する特性を得ることは困難である。
また、もう一つの課題は、ロータの外径がφ50mm以上と大きくなると、1極あたりの磁石の磁束が多くなる為、磁石の使用量を減らす為にはロータの径に応じた或る程度の多極化が必要となる。多極化すると、モータとしての駆動周波数が高くなるため、磁石,ロータコア,ステータヨークに渦電流が発生するといった問題が表れる、モータの効率を低下させる原因となる。この問題に対しては、磁石自体の電気抵抗が大きい方が好ましいため、ボンド磁石を採用することで渦電流は減少させることができるが、上述した希土類焼結磁石ほどの出力トルクを得ることは難しいのが現状である。
本発明は、この課題に対し、希土類ボンド磁石を用いてモータの出力向上と効率向上を同時に満足する方法を提案するものである。
上記課題を解決するため、例えば、特許請求の範囲に記載された技術思想を用いればよい。
本発明によれば、渦電流損失を抑えると共に、機械的強度が増し、回転子と固定子とのギャップ寸法を小さくすることが可能で、小形,高効率化可能なコアレスモータを提供することができる。
また、ボンド磁石の異方性により磁場を精度良く配向させることができ、高出力のコアレスモータを提供することができる。
モータの小形,効率向上と、無コギングトルク性能という相反する項目の同時満足という目的に対し、固定子ヨークを高密度な圧粉磁心とし、径方向に極めて薄いコイル成形体で固定子側を構成する。回転子側は、粉末材料を成形して構成し、その成形体は結合材および磁石粉末を主とするボンド磁石部と、結合材および軟磁性粉末を主とする軟磁性部とを有し、圧縮成形手段を用いて形成された永久磁石型のロータであって、前記ボンド磁石部は磁極の少なくとも1面が前記軟磁性部に機械的に結合されていることを特徴とするロータ構造とすることで課題を解決しようとするものである。また、そのボンド磁石はセグメント毎に仮成形によって製作されるもので、仮成形時に異方性を付与し、その異方性を複数極を有するロータとして本成形により成形してロータを得た後に、着磁磁界によって着磁される構造のモータ用ロータとなることを特徴とする。以下、具体的な実施例を図面を用いて説明する。
<実施例1>
図1は、本発明の中空軸となる永久磁石モータの断面図を示す。この例は回転子磁極数10,固定子コイル数12の3相ブラシレスモータである。固定子側は、固定子ヨークを高密度な圧粉磁心とし、径方向に極めて薄いコイル成形体で固定子側を構成している。この固定子に圧粉磁心を用いる理由としては、このモータが多極であり、回転磁界によって発生する渦電流を小さくするために必須となっているためである。回転子側は、粉末材料を成形して構成し、その成形体は結合材および磁石粉末を主とするボンド磁石部と、結合材および軟磁性粉末を主とする軟磁性部とを有し、圧縮成形手段を用いて形成された永久磁石型のロータであって、前記ボンド磁石部は磁極の少なくとも1面が前記軟磁性部に機械的に結合されていることを特徴とするロータ構造とすることで課題を解決しようとするものである。また、そのボンド磁石はセグメント毎に仮成形によって製作されるもので、仮成形時に異方性を付与し、その異方性を複数極を有するロータとして本成形により成形してロータを得た後に、着磁磁界によって着磁される構造のモータ用ロータとなることを特徴とする。
図2には回転子磁石の仮成形方法を示す。磁石の仮成形は、磁場配向可能な金型を用いて行う。磁石粉末と熱可塑性、または熱硬化性の結合材とでなる材料を必要な磁気特性を得ることが可能な適正配合量でブレンドし、金型内に充填し、圧縮成形、または、射出成形などの手段を用いて成形する。その際、金型内に配置した、磁場配向用のコイルに通電しながら成形を行うことにより、磁石の磁場を精度良く配向させることができる。次に磁場配向を精度良くした仮成形体は、圧粉磁心ヨークと一体成形(本成形)する。図3に本成形のイメージを示す。また、図4には圧縮成形金型構造を示す。図5は、圧縮成形状態の金型の位置関係を示す。まず、金型中へ、シャフト3,圧粉磁心材料粉1a,ボンド磁石仮成形体2aをそれぞれ必要な位置に配置する。このとき、仮成形体は、周方向には充分なすきまを空けて簡単に配置でき、かつ、しっくりと配置される寸法関係となっている。シャフトは、外径部分を下型21によって保持し、内径を中子22によって保持する。シャフト3と磁石の間には圧粉磁心材料粉1aを配置し、成形後に所定の密度となるような量を計量して挿入する。シャフトは上部より押えプレート24によって軸方向に固定された状態で、上パンチの独立して上下する第1パンチ25と第2パンチ26がそれぞれ圧縮力を伝える構造とする。例には、上プレート23からバネを介して圧縮力を伝える構造を示す。この構造は、それぞれが独立した圧縮機構となっていても良い。上プレートがプレス等の圧縮駆動源によって下降すると、バネ力によって中子と第2パンチ26へそのバネたわみ量分の加圧力が加わる。第1パンチは上プレートと直接結合され、上プレートの圧縮応力を直接圧粉磁心の圧縮成形力を伝え、その必要寸法での圧縮を行う。その際、第2プレートにも、充分な圧縮力がかかるものとし、もとの仮成形体の軸方向寸法を縮める寸法関係までの圧縮を行うものとする。圧縮後のパンチの位置関係は図5に示すとおりとなり、シャフトを金型内に挿入した状態で圧粉磁心ヨーク1とボンド磁石成形体2を一体成形(2色成形と呼ぶ)を行うものである。図5(b)に金型から取り出した成形体の斜視図を示す。シャフト3,圧粉磁心ヨーク部1,ボンド磁石成形体2が強固に結合した成形体を得ることができる。その結合部分をミクロに見た常態を図5(c)に示す。圧粉磁心粉と磁石仮成形体の磁石粉は、その結合面で、バインダ(樹脂材料)による接着効果での結合のほかに、機械的に圧縮成形時の塑性変形による、粉粒子同士の絡みつきが発生し、その結合面の機械的強度を高くすることができる。従来、焼結で得られる焼結希土類リング磁石,セグメント磁石や射出成形で得られるボンド磁石を接着によってシャフトに結合する場合には、ガラス,炭素繊維入りのバインドテープなどでの表面側保護が必要であったが、本方法によれば、その保護が必要ない程度の引張り強度(40〜60MPa)を得ることができる。これにより、ガラス,炭素繊維入りのバインドテープなどでの表面側保護の不要な回転子を得ることが可能となる。
図8にはこの回転子構造を採用した中空軸コアレスモータの構造例を示す。まず、固定子側には、珪素鋼板積層,圧粉磁心などを用いたリング状のバックヨークに径方向に非常に薄いコイルを円周状に配置する。そのコイル,コアをモールド、あるいは接着などの手段において、コイルが電磁力で動くことがないように一体化して固定する。回転子側では、前述の2色成形により径寸法,軸方向,同心度などの精度の非常に良い回転子を得るこのとき、固定子と回転子の機械的空隙寸法は、少ない組立公差を考慮した設計とすることができる。この回転子磁石は、希土類ボンド磁石のため、焼結希土類磁石に比べて磁石の最大エネルギー積が小さい。このため、出来るかぎり磁石の外径部を大きくして有効な誘起電圧を大きくする設計とすることが望ましい。このため、内径部分は不要な部分となるため、図示するようにシャフト3の内径は中空とする設計となる。これらの固定子と回転子を組立して得られるモータ構造を図8(c)に示す。固定子コアはハウジングによって保持され、ハウジングの両端には、インロー部分によってエンドブラケット(軸受保持部)が配置される。そのエンドブラケットには、軸受が保持され、軸受を介してシャフトが保持される構造となっている。前述したとおり、回転子磁石の径を大きくして、固定子コイルを薄くしているため、シャフトは中空構造となる。
図6には、本発明のモータと従来構造のモータの構造比較を示す。固定子の外径寸法と軸方向長さを固定して検討した例を示す。(a)図には本発明のコアレス方式,2色成形回転子を備える中空軸モータを示す。固定子の内径は58mmとし、回転子外径を57.2
mmとした。0.4mm の空隙寸法は、2色成形することによるシャフトからの磁石表面寸法公差を考慮しても充分達成可能な空隙寸法である。磁石の残留磁束密度はBr=0.88Tとし、図示する方向の異方性を設けた2色成形で製作するものとした。(b)図には、従来のスロット型コア付モータを示す。固定子の内径寸法は、34.8mm 、回転子外径を34mmとし、空隙寸法は0.4mm と(a)の構造のものと同じとした。磁石の残留磁束密度はBr=1.2T であり、焼結のリング磁石で厚さ3mmを採用した。小径のリング磁石の場合、内径側に0.1mm 程度の接着領域を設け、粘性の高い接着剤にて接着することにより充分な接着強度を得られるため、よほど過酷な温度条件で用いないかぎりギャップは0.4mm で構わない為、本発明のギャップ寸法と同程度に設定した。この構造は従来モータとして多い構造であるが、中空軸とならない。(c)図には、コアレス方式で焼結希土類ラジアルリング磁石を用いる場合の構造を示す。この場合には、トルク伝達径が大きくなっているため、磁石の厚みを4mmまで大きくした。磁石の厚みを大きくすることで、磁束量増加,機械的強度は増すが、磁石の成形時に精度の良いラジアル配向を得ることが困難となるため、残留磁束密度を1.05T と設定した。また、ラジアル異方性を有する場合、径方向と周方向に著しく熱膨張係数が異なる為、径の大きい本構造では磁石の強度確保が必須となる。このため、磁石の組立時の内径側の接着領域3と磁石の表面のガラス,炭素繊維入りのバインドテープ、またはステンレスなどの薄い非磁性体による表面保護領域が必要となる。このため、磁気回路的に見た空隙寸法は(a)の構造に比べて大きくなり、固定子内径を同一の58mmとした場合の回転子外径は、56mmとせざるを得ないことになる。
図7には、図6に示した(a)から(c)の構造のモータの誘起電圧比較を示す。巻線の1相あたりの巻き数を同じにした場合の誘起電圧は、(a)と(b)では同等の実効値が得られる。(c)構造は、ギャップ寸法が大きい分不利となり、得られる誘起電圧が小さくなる。従って、本発明の2色成形回転子を有するモータは磁石の残留磁束密度が小さいにも関わらず、大きい出力を得ながら中空軸構造とすることができる。
本実施例では内転形モータの例を示したが、回転子が外側となる外転形のモータにおいても同様の結果となる。
<実施例2>
次に第2の実施例を説明する。本発明の中空軸永久磁石モータの圧粉磁心と磁石は、成形密度が高く、かつ、絶縁性に優れているほどモータとしての特性が向上する。成形密度を向上するためにはプレス成形する圧力を高くする必要があるが、圧力が高すぎると磁性粉表面の絶縁皮膜が破壊され、渦電流損が増加する。絶縁性保護の為に絶縁皮膜を厚めに設定すると磁石のエネルギー積の低下や、密度不足による透磁率低下となり、モータ特性が著しく低下してしまう。この相反する特性を同時に満足する為に磁性粉の皮膜を強化する方法が考えられる。
絶縁膜を形成する方法として、粒界に板状のフッ素化合物を形成しフッ素化合物と主相との界面を増やすこと、フッ素化合物の厚さを薄くすること、あるいはフッ素化合物を強磁性相にすることが挙げられる。前者はフッ素化合物の粉末形成の際に板状あるいは扁平状になるような手法を採用することが有効である。従来例である特開2003−282312号にはNdF3 の場合平均粒径0.2μm のNdF3 粉末とNdFeB合金粉末を自動乳鉢を使用して混合しており、フッ化物の形状についての記載はなく、焼結後のフッ化物の形状は塊状になっている。これに対し本手法の一例は、フッ化物の粉末の形状を磁石形成後に層状にしている。磁石形成後にフッ素化合物粉の形状を層状にするために、使用するフッ素化合物の粉末形状を板状にしている。板状にするためにフッ化物を溶解急冷することがその手法の一例である。溶解温度は約2000℃で真空溶解後、急冷速度は105℃/秒で急冷する。急冷することで厚さ10μm以下でアスペクト比2以上の板状を得ることが可能となる。このような板状粉を使用すること以外に、主相とフッ素化合物を加熱加圧してフッ素化合物が粒界に沿って層状になるように成形する手法もある。フッ素化合物が成形後に層状になっていれば、塊状あるいは粒状になっているよりもフッ素化合物と主相との界面積は増加し、成形後の粒界に沿って形成される。フッ化物が層状になることにより、塊状よりもフッ化物の混合量が少なくともフッ化物による磁気特性向上が達成される。また、フッ素化合物の強磁性化については、フッ素化合物にFeあるいはCoを添加し急冷プロセスを経て粉体あるいは薄帯を形成する。フッ素化合物は、常磁性であり室温での磁化が小さい。そのため、フッ化物を主相に混合すれば残留磁束密度が混合量にほぼ比例して残留磁束密度が減少する。残留磁束密度の減少は、エネルギー積の著しい低下につながる。したがって磁石の磁束密度を高く設計している磁気回路においては、従来のフッ素化合物を含む磁石の形成は困難であったがフッ素化合物を強磁性化できれば、フッ素化合物の添加量が同じ場合でも飽和磁束密度及び残留磁束密度の値が強磁性フッ化物の添加により増加させることが可能である。またフッ素化合物が強磁性を示していても、フッ素化合物自身の保磁力が高くならないと、主相の保磁力あるいは角形性に悪影響を及ぼす。主相保磁力を保持しながら角形性も確保して残留磁束密度を高めるには、フッ素化合物の保磁力を高くする必要がある。フッ素化合物自身の保磁力を1kOe以上にすることにより、主相保磁力や角形性を確保して残留磁束密度の減少を低減することが可能である。このような保磁力をもったフッ素化合物の形成には、フッ素化合物と強磁性体を溶解急冷する手法を適用する。急冷には単ロール法,双ロール法がある。
具体的な製作例を以下に示す。NdFeB合金は水素化脱水素処理を施した粒径約100μmの粉であり、この粉末の保磁力は16kOeである。このNdFeB粉末に混合するフッ素化合物はNdF3である。NdF3原料粉を急冷装置を用いて急冷し、板状あるいはリボン状粉末を形成する。原料粉102をタングステン電極103によるアーク溶解で不活性ガス雰囲気101中にて溶解し、ノズル104からシャーター107を開けてロール105上に溶解したNdF3 を吹き付ける。不活性ガスにはArガスを、単ロール105にはCuあるいはFe系材料を使用し、500から5000rpm で回転した単トールの上にArガスで加圧し差圧を利用して吹きつける。得られるNdF3 粉末は板状となり、このNdF3 粉末とNdFeB粉末をNdF3 が約10wt%となるように混合した。この混合粉末を10kOeの磁界で配向,圧縮し、Arガス中で加熱圧縮成形した。成形条件は、加熱温度700℃,圧縮圧力3−5t/cm2であり7mm×7mm×5mm の異方性磁石を作製した。作製した成形体の密度はいずれも7.4g/cm2以上であった。成形した異方性磁石の異方性方向に30kOe以上のパルス磁界を印加し減磁曲線を20℃で測定した。NdF3 厚さは主相のNd2Fe14B粒子の粒界にあるNdF3 層の平均の厚さである。
NdF3 厚さは、NdF3 粉末形成条件や加熱圧縮成形条件及びNdFeB粉末形状などにより異なる。NdF3厚さを変えるために、NdF3粉末作製時のロール回転数を500から5000rpm に変えて作製し、粉砕した粉をさらにメッシュなどにより分級している。回転数が高く圧縮成形圧力が大きい方がNdF3厚さを薄くすることができる。NdF3が0.01μm から厚くなるとBr(残留磁束密度),iHc(保磁力)及びBhmax(エネルギー積)の値が増加する傾向にある。NdF3厚さが0.1から10μmの範囲でiHcが顕著に増加し、Brも増加している。NdF3 が界面に存在することにより保磁力が増加するが、厚くなると減少するのはNdF3 が常磁性体のため、粒子間の強磁性結合が弱くなるためと推定される。Brが増加するのは、低磁界での磁束密度が増加しているためである。NdF3 厚さが1.0μm となった磁石の保磁力の温度依存性を大気中加熱で測定した結果、保磁力の温度係数はNdF3 無添加磁石の場合5.0%/℃ である。NdF3厚さを厚くすることにより保磁力の温度係数が小さくなる。その効果はNdF3厚さが0.1mmから10μmであり、保磁力の温度係数は最小で3.4%/℃になる。これは、NdF3 が主相の酸化を防止していること、高保磁力化による磁区安定化に関係していると推定される。フッ化物の主相に対する平均被覆率が約50%の結果は、NdF3 厚さが0.1 −10μmの時、被覆率が変化した場合は被覆率依存性を示す。被覆率は、フッ化物粉末の混合状態,フッ化物粉末の粒度,NdFeB粉末の粒度,NdFeB粉末の形状,配向磁界,配向時の圧力,加熱条件などのパラメータ及び条件が関係する。被覆率が増加すると、保磁力は増加する傾向にある。
上記の方法で作成した磁性粉を用いて中空軸モータ用回転子を作成することにより、回転子は熱減磁しにくく、保磁力の温度係数が小さい硬質磁性材料の適用により、逆磁界に強く、誘起電圧の温度依存性が小さく、高温まで安定した出力を得ることが可能である。
<実施例3>
次に本発明の中空軸モータを利用したシステムについて説明する。図9には、本発明の中空軸モータを利用することで効果の期待できるシステムの例を示す。図9(a)は自動車用のステアリング装置をモデル化して示した図を示す。自動車用のパワーステアリング装置は、従来は油圧駆動であったが、モータの高性能化が進み、電動で駆動するシステムも出始めてきている。このステアリング装置を駆動するモータは、人がハンドル操作をするとそれをアシストするように回転し、駆動力を発生してタイヤの向きを変える役割を果たす。しかし、モータのハンドル操作によって、モータが回されるときの重みを除去する為に、モータ自体のロストルクを小さくしておく必要がある。このため、コアを有しないモータはコアのヒステリシス損失を無くすることができるため、その目的を達成することができる。また、一定出力領域での効率が珪素鋼板を用いる場合よりも高くできる為、自動車のようなバッテリーから電力を供給され、燃費を考慮しなければならない用途に最適なシステムといえる。また、コアを必要としないため、巻線の占積率も向上でき、モータの体格(体積)も小さく出来る。また、(b)図に示すように、中空部分を利用して遊星ギア43や、(c)図に示すようなボールネジ機構44などの機構部品を内部に配置可能なため、自動車の限られた車載スペースへの実装も容易になる。
本発明の中空軸となる永久磁石モータの断面図である。 本発明の回転子磁石の仮成形方法を示す図面である。 本発明の2色成形のイメージを説明する図面である。 本発明の2色成形の圧縮成形金型構造を示す図面である。 本発明の2色成形の圧縮成形時の金型位置関係を示す図面である。 本発明のモータと従来構造のモータの構造比較を示す図面である。 各種構造のモータの誘起電圧比較を示す図面である。 本発明の2色成形回転子構造を採用した中空軸モータの構造例を示す。 自動車用パワーステアリングシステムに本発明のモータを使用したシステムを示した説明図である。(実施例3)
符号の説明
1…回転子バックヨークコア(圧粉磁心成形体)、1a…圧粉磁心材料粉、2…回転子磁石、2a…磁石仮成形体、3…シャフト、4…固定子バックヨークコア、5…固定子コイル、6…固定子コア、8…磁石粉末、9…バインダ(樹脂)、11…仮成形金型(ダイ)、12…磁界発生用コイル、13…仮成形金型(パンチ)、21…本成形金型(下型)、22…本成形金型(中子)、23…本成形金型(上プレート)、24…本成形金型(シャフト押えプレート)、25…本成形金型(第1パンチ)、26…本成形金型(第2パンチ)、31…接着層、32…バインド層(炭素繊維,ガラス繊維)、33…モールド材、34…ベアリング(軸受)、35,36…エンドブラケット、37…ハウジング、41…ハンドル、42…パワーステアリング用モータ、43…遊星ギア、44…ボールネジ。

Claims (2)

  1. 固定子と回転子とシャフトを有するコアレスモータにおいて、
    前記回転子は、圧粉磁心により構成された回転子バックヨーク部と粉末材料から成るボンド磁石部とを有し
    記ボンド磁石部は、1極あたりが複数のセグメントに分割されており、
    前記ボンド磁石部、前記回転子バックヨーク部及び前記シャフトは、セグメント毎に仮成形時に異方性が付与され、1極を構成する複数のセグメントの磁化配向方向が一点集中型の磁場配向となるように周方向に並べて配置された磁石仮成形体と、前記磁石仮成形体の内側に配置した前記シャフトと、前記磁石仮成形体と前記シャフトとの間に配置された圧粉磁心材料粉とを、同一の金型内において軸方向に圧縮方向圧力を加えることにより一体成形され、
    前記ボンド磁石部を前記圧粉磁心材料粉で形成される前記回転子バックヨーク部の表面上に構成したことを特徴とするコアレスモータ。
  2. 請求項1記載のコアレスモータにおいて、
    前記ボンド磁石の磁石粉の絶縁コーティングとしてR−Fe−B(Rは希土類元素)系磁石において主相であるNd2Fe14Bの粒界あるいは粉末表面の一部または全面に層状のフッ素を含んだ層が形成され、前記層がアルカリ土類あるいは希土類元素からなるフッ素化合物を含み、前記粒界形成したフッ素化合物の厚さが10μm以下であることを特徴とする高保磁力希土類磁石を圧粉磁心とともに一体成形することを特徴としたコアレスモータ。
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