JP5448314B2

JP5448314B2 - 永久磁石及び永久磁石回転機

Info

Publication number: JP5448314B2
Application number: JP2007219563A
Authority: JP
Inventors: 浩二宮田
Original assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Priority date: 2006-08-30
Filing date: 2007-08-27
Publication date: 2014-03-19
Anticipated expiration: 2027-08-27
Also published as: JP2008086193A

Description

本発明は、Ｄ型に形成された永久磁石、及びこれを用いた、特にサーボモータ、ＤＣブラシレスモータ、発電機等の同期式の永久磁石回転機に関する。

永久磁石回転機は、効率が高く制御性がよいことから、サーボモータを始めとする制御用モータに用いられている。例えば、ＡＣサーボモータには、図７に示すようなラジアルエアギャップ形の永久磁石回転機が用いられている。この永久磁石回転機は、ロータコア（回転子コア）１の表面に、Ｄ型の永久磁石２を貼り付けた回転子３と、空隙（ギャップ）を介して配置された複数のスロットを有するステータコア（固定子コア）１１とティースに巻かれたコイル１２からなる固定子１３とで構成されている。この永久磁石回転機の場合、永久磁石の極数は６、ティースの数は９であり、永久磁石内の矢印は永久磁石の磁化の方向を示している。永久磁石は平行な磁場中で配向が成され、容易磁化方向は磁石の中心線に平行となっている。また、コイルはティースに集中巻きで巻かれ、図８のようにＵ相Ｖ相Ｗ相の３相のＹ結線がなされている。図７において、コイルの黒丸印はコイルの巻き方向が手前、×印はコイルの巻き方向が奥であることを意味している。コイルに電流を流すと、ステータコア部分に書いた矢印の方向に界磁され、回転子を反時計回りに回転させる。このとき、永久磁石セグメントの回転方向の後方（図７の磁石２において○で囲った部分）は界磁が永久磁石の磁化と逆方向になるので減磁しやすい状況になっている。永久磁石材料としては、Ｂａフェライト系、Ｓｒフェライト系などのフェライト磁石、Ｓｍ−Ｃｏ系、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系などの希土類磁石が広く使用されているが、近年高性能磁石として希土類磁石の使用が急激に伸びている。

ところで、高精度のトルク制御を必要とするＡＣサーボモータ等のトルクは、脈動の小さなものでなければならない。従って、永久磁石が回転したときに固定子のスロットと永久磁石との位置関係から、空隙の磁束分布が変化することに起因するコギングトルク（コイルに電流を流さない状態でのトルク）やコイルの電流を流して駆動した時のトルクリップルが発生することは好ましくない。トルクリップルは、制御性を悪くする他に騒音の原因にもなる。

コギングトルクを低減する方法として、図９に示すように、永久磁石の端部形状が薄くなるように、Ｄ型の外径の中心を偏心させた永久磁石を用いる方法がある。この方法により、磁束分布の変化が大きな磁極の切り替わり部分である永久磁石端部での磁束分布が滑らかになり、コギングトルクを低減することができる。なお、図１０に示すような外径の中心を偏心させたＣ型の永久磁石を用いてもコギングトルクが減少するが、Ｄ型の磁石は偏心のない状態でも端部の磁石厚さが中央部より薄く、小さな偏心でもコギングトルク低減効果が大きい。そのため、偏心磁石は磁石体積が減る分、駆動トルクの低下も招いてしまうが、その割合は小さな偏心でコギングトルクを低減できるＤ型のほうが小さく、磁石形状としてはＣ型よりＤ型のほうが優れている。

しかし、図９に示すように偏心されたＤ型磁石の端部の厚さは非常に薄く、減磁しやすい。ここで磁石端部の厚さが薄いと減磁しやすい理由を説明する。減磁の大きさは、永久磁石の使用温度での保磁力の大きさと反磁界の大きさで決まる。保磁力が小さく、反磁界の大きさが大きいほど減磁しやすい。反磁界は永久磁石の磁化で生ずる自己反磁界と外部からの逆磁界の和で、前述のように永久磁石端部はステータからの大きな反磁界を受けるのに加え、自己反磁界は永久磁石の磁化方向厚さが薄いほど大きくなるためである。
減磁すると駆動トルクを下げるばかりか、部分的な磁場不均一によってコギングトルクを増大されるという問題が生ずる。

なお、本発明に関連する従来技術として、下記文献が挙げられる。
特開２００６−６０９２０号公報

本発明の目的は、コギングトルクを低減しつつ、減磁しにくい高出力高精度制御の永久磁石及び該磁石を用いた永久磁石回転機を提供することにある。

本発明者は、上記課題を解決するために鋭意検討を行い、コギングトルクが小さい偏心磁石を用いた回転機に下記なる改良を加え、トルクむらがなく減磁しにくい回転機を実現した。

即ち、本発明は、下記の特徴を有する永久磁石を提供する。
請求項１：
円弧状頂面と平坦底面と両側面とを有する断面Ｄ字状の永久磁石であって、前記円弧状頂面の断面輪郭が、頂面中央部を通る円弧部と、該円弧部両端部から磁石両端部の上縁部にそれぞれ伸びる直線部とからなり、前記永久磁石の複数個を各磁石の頂面中央部である頂点を通って仮想大円を描くように円周方向に沿って配置させた場合、前記永久磁石の前記円弧部の断面輪郭が、前記仮想大円の外径よりも小さくなるように外径の中心を偏心させた仮想小円の円弧と一致し、前記仮想小円と磁石両側面とが交差し、かつ円弧状頂面の幅方向両端部の各上縁部が、前記仮想小円と磁石両側面とが交差する点より前記仮想大円側にあり、かつこの仮想大円と磁石両側面を外側に延長した面とが交差する点を越えない位置にあることを特徴とするＤ型永久磁石。
請求項２：
前記永久磁石の前記円弧状頂面の断面輪郭が、頂面中央部を通る円弧部と、この円弧部両端部から磁石両端部の上端部にそれぞれ伸びる平坦底面と平行な直線部とからなる請求項１記載のＤ型永久磁石。
請求項３：
前記永久磁石の前記円弧状頂面の断面輪郭が、頂面中央部を通る円弧部と、この円弧部両端部から磁石両端部の上端部にそれぞれ伸びる直線部からなり、該直線部は、これを頂面中央部に向けて延長した場合、それぞれ頂面中央部の頂点を通る斜行直線部である請求項１記載のＤ型永久磁石。
また、本発明は上記永久磁石を用いた永久磁石回転機を提供する。

本発明により、減磁しにくく、コギングトルクの低減が可能となり、更に駆動トルク向上が可能となり、ＡＣサーボ永久磁石モータやＤＣブラシレス永久磁石モータ等の高性能化と小型化に有用であり、産業上その利用価値は極めて高い。

以下、本発明について、図１〜６を参照して更に詳細に説明する。
本発明の特徴は、上記したように、円弧状頂面と平坦底面と両側面とを有する断面Ｄ字状の永久磁石であって、その複数個を各磁石の頂面中央部の頂点を通って仮想大円を描くように円周方向に沿って配置させた場合、前記永久磁石の頂面中央部の外側輪郭が、前記仮想大円の外径よりも小さくなるように外径の中心を偏心させた仮想小円の円弧と一致し、かつ円弧状頂面の幅方向両端部の各上縁部が、前記仮想小円と磁石両側面とが交差する点より前記仮想大円側にあり、かつこの仮想大円と磁石両側面とが交差する点を越えない位置にあるものである。

即ち、永久磁石外側輪郭はコギング低減のために偏心した円弧になっているが、減磁させたいために永久磁石端部の磁石厚さが極端に薄くなる部分のみ厚くした永久磁石回転子を有することである。そして、これにより、コギングトルクが低減されトルクむらのないスムーズな回転となり、かつ偏心磁石の欠点であった永久磁石端部が減磁しやすいといった問題が低減される。

本発明の永久磁石は、Ｄ型永久磁石であり、図１〜６に示すように、永久磁石２０は、円弧状頂面２２と、平坦底面２４と、両側面２６，２８とを有する断面Ｄ字状に形成されたものである。この場合、この断面Ｄ字状（Ｄ型）永久磁石を、例えば図７に示すように、その複数個（図７では６個）を円周方向に沿って各磁石の頂面中央部の頂点Ｐを通って仮想大円Ｓを描くように配置させた場合、前記永久磁石２０の頂面中央部の外側輪郭が、前記仮想大円Ｓの外径よりも小さくなるように外径の中心を偏心させた仮想小円Ｔの円弧と一致する。また、円弧状頂面２２の幅方向両端部の各上縁部２２ａ，２２ｂが、前記仮想小円Ｔと磁石両側面２６，２８とが交差する点より前記仮想大円Ｓ側にあり、しかもこの仮想大円Ｓと磁石両側面２６，２８（を外側に延長した面）とが交差する点を越えない位置にあるように、本発明のＤ型永久磁石を形成したものである。

即ち、円弧状頂面中央部の厚さをＴｃとし、また両端部のそれぞれの厚さをＴｅとし、Ｔｅ１は底面２４から小円Ｔ（円弧状中央部）と側面２６の交差点までの距離、Ｔｅ２は底面２４から大円Ｓと側面２６の交差点までの距離であるとすると、これらは関係：Ｔｅ１＜Ｔｅ≦Ｔｅ２を満足する。Ｔｅ＜Ｔｅ１であると、減磁が大きくなり、Ｔｅ＞Ｔｅ２であると、コギングが大きくなる。

なお、図１，４においてＤは仮想大円Ｓの半径ｓと仮想小円Ｔの半径ｔとの差（偏心長さ）を示すが、ｔ／ｓは０．３〜０．８、特に０．４〜０．７であることが好ましい。

この場合、図１〜３の永久磁石の頂面輪郭は、頂面中央部を通る円弧部と、この円弧部両端部から磁石両端部の上端部にそれぞれ伸びる平坦底面と平行な直線部とからなるもので、両端部側がそれぞれ厚さＴｅで一定であるが、図４〜６に示すように、永久磁石の頂面輪郭が、頂面中央部を通る円弧部と、この円弧部両端部から磁石両端部の上縁部にそれぞれ伸びる直線部からなり、該直線部は、これを頂面中央部に向けて延長した場合、それぞれ頂面中央部の頂点を通る斜行直線部であってもよく、図４〜６においてＴｅ３は、端部の上縁部（端部の厚さＴｅ）と磁石の頂点（厚さＴｃ）とを結ぶ直線と仮想小円Ｔとの交点Ｑにおける厚さであり、２２ａ，２２ｂからＱまでの傾斜は直線である。

このようなＤ型磁石は、所望の合金を粉末冶金法やストリップキャスト法等で製造し、粉末化させ、ダイスなどを用いて磁場中成形、その後焼結して得られるもので、所望の形状になるように焼結前に成形加工を行ったり、また焼結後に、切削刃や砥石等により切削することにより、図３，６に示すようなＤ型の柱状磁石セグメントが得られるものである。
なお、得られた磁石表面にはメッキや塗装等の表面加工を施されていても構わない。

本発明の永久磁石回転機は、図７に示すように、上記の図３，６に示されるような複数個のＤ型形状の永久磁石セグメントがロータコア側面に張り付けられた回転子と、複数のスロットを有するステータコアに巻線を巻いた固定子とを空隙を介して配置したものである。
この場合、磁石個数は特に限定するものではないが、偶数個最大１００個、好ましくは４〜３６個の磁石を配置し、周方向に交互に極性が異なるように配置されている。

また、本発明によれば、ロータコアヨークと、該ロータコアヨークの側面上に、所定の間隔で、極性がロータコアヨークの周方向に交互に異なるように配置された複数の永久磁石とを含んでなる回転子と、該回転子と空間を隔てて配置されたステータコアヨークと、上記永久磁石と対向し、周方向に関して等間隔で該ステータコアヨーク上に配置された突極磁極と、該突極磁極に集中巻され、三相結線された電機子巻き線（コイル）とを有する固定子とを含んでなる永久磁石モータとして得ることができる。

なお、本発明において、磁石材料は特に限定されるものではなく、上記したように、アルニコ、フェライト、希土類（Ｎｄ系、Ｓｍ系）のいずれを用いるかは、用途によって選択するとよい。

以下、実施例と比較例にて本発明を詳しく説明するが、本発明は下記の実施例に制限されるものではない。なお、本実施例では、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系の永久磁石を用いた。

［実施例１，２、比較例１］
永久磁石は以下の工程にて製作した。それぞれ純度９９．７質量％のＮｄ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｍ（ＭはＡｌ，Ｓｉ，Ｃｕ）と純度９９．５質量％のＢを用い、真空溶解炉で溶解鋳造してＮｄ₂−Ｆｅ₁₄−Ｂ系インゴットを作製した。このインゴットをジョークラッシャーで粗粉砕し、更に窒素気流中ジェットミル粉砕により平均粒径３．５μｍの微粉末を得た。この微粉末を金型に充填し、垂直磁場プレスにて１２ｋＧの磁場中において、１．０ｔ／ｃｍ²の成形圧にて成形した。この成形体はＡｒガス中１，０９０℃で１時間焼結を行い、引き続き５８０℃で１時間の熱処理を行った。熱処理を終えた焼結体は直方体のブロック形状である。このブロックを砥石による研削加工を行い、Ｄ型の永久磁石を得た。本永久磁石の特性は、ＶＳＭによりＢｒ：１３．０ｋＧ，ｉＨｃ：２２ｋＯｅ，（ＢＨ）ｍａｘ：４０ＭＧＯｅであった。

まず、比較例を示す。モータの構造は図７の６極９スロットモータで、寸法は回転子と固定子の奥行きが７０ｍｍ、回転子の外径が４５ｍｍである。コイルは図８のように結線され、巻き数はティース当たり１５ターンである。図９で示したＤ型永久磁石を用いた。図９の永久磁石は幅Ｗが１５ｍｍ、仮想大円Ｓの外径が４５ｍｍ、仮想小円の外径が３１ｍｍ、偏心Ｄ（中心軸から磁石の頂点までの距離と磁石の円弧をなす中心点から頂点までの距離の差）は７ｍｍである。中央部の厚さはＴｃ＝３ｍｍ、端部厚さＴｅ１＝１ｍｍである。このモータのコギングトルクと、室温で入力として実効値１５０Ａ（図８に示すように各相のコイルは３並列なので各コイルには１／３の電流が流れる）の正弦波三相電流を加えて回転させた時の駆動トルクを測定した。更に、高温に曝されたときの減磁を評価するために、モータを１４０℃のオーブンに入れて１５０Ａの電流で回転させ、オーブンから出して室温（２３℃）に戻して同じく１５０Ａで回転させたときの駆動トルクを測定した。オーブンに入れる前後の室温の駆動トルクの差を減磁率とした。
減磁によるトルク減少率（減磁率）＝（オーブンに入れた後の室温の駆動トルク−オーブンに入れる前の室温の駆動トルク）／（オーブンに入れる前の室温の駆動トルク）

コギングトルクと駆動トルクと減磁率の値を表１に示す。コギングトルクは脈動する波形の最大値と最小値の差であり、駆動トルクは平均値である。このモータでは、コギングトルクは駆動トルクの０．４４％程度であり、非常に小さなコギングトルクとなった。制御用モータは１％以下のコギングトルクを狙って設計を行うので、十分満足いく結果となった。しかしながら、１４０℃で減磁が観測され、１４０℃の環境では使えないことが分かった。

実施例１として、図１〜３に示したようなＤ型の永久磁石を用いた回転子を、比較例と同じ固定子に組み込んだモータを評価した。評価項目と駆動条件は比較例と同様にした。図１の永久磁石は幅が１５ｍｍ、偏心Ｄは８ｍｍである。中央部の厚さはＴｃ＝３ｍｍ、端部厚さＴｅ＝１．５ｍｍとした。なお、この磁石の中央部円弧と端部の辺が交差する点の寸法Ｔｅ１＝０．９ｍｍ、隣接する永久磁石の輪郭の頂点を通る円弧と端部の辺が交差する点の寸法Ｔｅ２＝１．７ｍｍである。

コギングトルクと駆動トルクと減磁率の値を表１に示す。コギングトルクは比較例より小さく駆動トルクは比較例より大きくなった。更に１４０℃でも減磁しないことが確認された。

実施例２として、図４〜６に示したようなＤ型の永久磁石を用いた回転子を、比較例と同じ固定子に組み込んだモータを評価した。評価項目と駆動条件は比較例と同様にした。図４の永久磁石は幅が１５ｍｍ、偏心Ｄは８ｍｍである。中央部の厚さはＴｃ＝３ｍｍ、端部厚さＴｅ＝１．５ｍｍ、Ｔｅ３＝２．２ｍｍとした。

コギングトルクと駆動トルクと減磁率の値を表１に示す。コギングトルクは比較例より僅かに大きくなったが、駆動トルクの１％以下の目標は満足できている。駆動トルクは比較例より大きく、更に実施例１より大きくなった。更に１４０℃でも減磁しないことが確認された。

本発明における永久磁石の一実施例を示す断面図である。同例の拡大断面図である。同例の斜視図である。本発明における永久磁石の他の実施例を示す断面図である。同例の拡大断面図である。同例の斜視図である。本発明における永久磁石回転機の一例を示す断面図である。同永久磁石回転機における結線図の説明図である。従来の永久磁石の一例を示す断面図である。従来の永久磁石の他の例を示す断面図である。

符号の説明

１ロータコア（回転子コア）
２永久磁石
３回転子
１１ステータコア（固定子コア）
１２コイル
１３固定子
２０永久磁石
２２円弧状頂面
２４平坦底面
２６，２８側面

Claims

円弧状頂面と平坦底面と両側面とを有する断面Ｄ字状の永久磁石であって、前記円弧状頂面の断面輪郭が、頂面中央部を通る円弧部と、該円弧部両端部から磁石両端部の上縁部にそれぞれ伸びる直線部とからなり、前記永久磁石の複数個を各磁石の頂面中央部である頂点を通って仮想大円を描くように円周方向に沿って配置させた場合、前記永久磁石の前記円弧部の断面輪郭が、前記仮想大円の外径よりも小さくなるように外径の中心を偏心させた仮想小円の円弧と一致し、前記仮想小円と磁石両側面とが交差し、かつ円弧状頂面の幅方向両端部の各上縁部が、前記仮想小円と磁石両側面とが交差する点より前記仮想大円側にあり、かつこの仮想大円と磁石両側面を外側に延長した面とが交差する点を越えない位置にあることを特徴とするＤ型永久磁石。
前記永久磁石の前記円弧状頂面の断面輪郭が、頂面中央部を通る円弧部と、この円弧部両端部から磁石両端部の上端部にそれぞれ伸びる平坦底面と平行な直線部とからなる請求項１記載のＤ型永久磁石。
前記永久磁石の前記円弧状頂面の断面輪郭が、頂面中央部を通る円弧部と、この円弧部両端部から磁石両端部の上端部にそれぞれ伸びる直線部からなり、該直線部は、これを頂面中央部に向けて延長した場合、それぞれ頂面中央部の頂点を通る斜行直線部である請求項１記載のＤ型永久磁石。
請求項１，２又は３記載の永久磁石を用いた永久磁石回転機。