JP6544992B2

JP6544992B2 - 磁石およびマグネットロータ

Info

Publication number: JP6544992B2
Application number: JP2015103279A
Authority: JP
Inventors: 肇山中; 望森本
Original assignee: 中川電化産業株式会社
Priority date: 2015-05-21
Filing date: 2015-05-21
Publication date: 2019-07-17
Anticipated expiration: 2035-05-21
Also published as: JP2016219607A

Description

側面に極性の異なる磁極が交互に配列される円筒形の磁石およびそれを備えるモータのマグネットロータに関する。

様々な装置や機器に電動のモータが使用される。モータは主にブラシ付モータとブラシレスモータに大別され、耐久性，静音声，制御性が要求される場合はブラシレスモータが使用される場合が多い。ブラシレスモータは、円筒形で側面に異なる磁極が交互に配列されるマグネットロータと、マグネットロータの周囲に配置されて複数のコイルから構成されるステータとを備えている。

以下、図１７を用いて従来のマグネットロータの構成を説明する。
図１７は従来のマグネットロータの構成を示す概略図であり、平面図と断面図とが表されている。

図１７に示すように、従来のマグネットロータ１７は、磁石１８と出力軸１９とで構成される。磁石１８は円筒形であり、側面に極性の異なる磁極が交互に配列される。図１７では、６極の磁極が形成されている。磁石１８はフェライト磁石やネオジウム磁石で形成することができるが、通常、コスト面等を考慮してフェライト磁石が用いられる。出力軸１９は、円筒形状の磁石１８の２つの円形底面を貫通して設けられ、磁石１８が回転すると出力軸１９も同軸で回転する。ブラシレスモータは、マグネットロータ１７の周囲に配置されたステータのコイルに周期的に電流方向を変化させて電流を流すことにより、出力軸１９を軸としてマグネットロータ１７を回転させることにより回転出力を抽出する。

特開平４−１９７０７０号公報

しかしながら、フェライト磁石は、低温環境下で磁力が低下する低温減磁が生じるという問題点があった。特に、モータが自動車に搭載される場合、モータは−４０℃〜８５℃での動作が要求されるため、車載用モータに用いるフェライト磁石では、低温減磁の影響が大きくなる。

本発明は、低温減磁を抑制することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の磁石は、円筒形の磁石であって、円筒の側面に異なる極性が交互に配列される複数の磁極と、前記磁極の境界部分を含む領域に形成されてネオジウム磁石で構成される第１の磁力調整磁石とを有し、少なくとも前記磁極がフェライト磁石で構成され、
第１の磁力調整磁石は、幅が前記磁極間の距離の１０％以上５０％以下であり、深さが前記磁極間の距離の３０％以上７０％以下であることを特徴とする。

また、本発明のマグネットロータは、前記磁石と、前記磁石の底面円の中心で前記磁石を貫通する出力軸とを有することを特徴とする。

以上のように、少なくとも磁極部分をフェライト磁石で形成し、磁極の境界部分を含む領域をネオジウム磁石で形成することにより、低温減磁を抑制することができる。

本発明の磁石の構成を説明する図本発明の側面に磁力調整磁石を備える磁石の構成を説明する図本発明の磁石における磁力調整磁石の構成を例示する要部拡大図本発明の磁石における磁力調整磁石の構成を例示する要部拡大図本発明の磁石における磁力調整磁石の構成を例示する要部拡大図本発明の磁石における磁力調整磁石の構成を例示する要部拡大図本発明の磁石における磁力調整磁石の構成を例示する要部拡大図本発明のマグネットロータの構成を説明する図ブラシレスモータの構成を示す図本発明の磁石における低温減磁が抑制されるシミュレーション結果を示す図本発明の磁石における低温減磁が抑制されるシミュレーション結果を示す図本発明の磁石における低温減磁が抑制されるシミュレーション結果を示す図本発明の磁石における低温減磁が抑制されるシミュレーション結果を示す図本発明の磁石における低温減磁が抑制されるシミュレーション結果を示す図従来のフェライト磁石における低温減磁の実験結果を示す図本発明の磁石における低温減磁が抑制される実験結果を示す図従来のマグネットロータの構成を示す概略図

ブラシレスモータはマグネットロータを備える。また、マグネットロータは、互いに異なる極性の磁極が隣り合って交互に配列される磁石と出力軸とから構成される。本発明の磁石はマグネットロータ等に用いることができる。以下、図１〜図７を用いて、本発明の磁石について説明する。

図１は本発明の磁石の構成を説明する図であり、平面図と平面図のＡ−Ａ’断面図を示す。図２は本発明の側面に磁力調整磁石を備える磁石の構成を説明する図であり、平面図と平面図のＢ−Ｂ’断面図を示す。

図１に示すように、本発明の磁石１は、外形が円筒形であり、隣接する磁極が異なるように側面５に複数の磁極が形成される。図１に示す磁石１は、側面５にＳ極２とＮ極３とが３極ずつ交互に等間隔に配列される６極構成である。磁石１において、少なくとも形成される磁極部分はフェライト磁石で形成される。本発明の磁石１の特徴は、隣接するＳ極２とＮ極３との間の領域である極境界にネオジウム磁石からなる磁力調整磁石４を形成することである。磁石１において、Ｓ極２とＮ極３との間において、磁力調整磁石４上を含めて磁界は連続的に変化し、磁力調整磁石４の中心で磁力は０になる。磁力調整磁石４は、少なくとも磁極間の極境界の側面５を含む領域に形成され、極間方向である幅Ｗと底面円６の中心方向である深さＤを持って形成される。例えば、磁力調整磁石４の側面５における幅Ｗは、Ｓ極２とＮ極３との間隔の長さの１０％〜５０％とすることが好ましい。磁力調整磁石４の深さＤは、Ｓ極２とＮ極３との間隔の長さの３０％〜７０％とすることが好ましい。磁力調整磁石４の底面円６における形状は任意であり、矩形形状でも良いし、半円，半楕円形状でも良く、底面円６の中心方向に向かう程に幅が狭くなる形状でも良い。

なお、磁石１は任意の方法で製造することができるが、例えば、フェライト磁石で円筒形の磁石を製造し、極境界を切り欠き、切り欠いた領域にネオジウム磁石を埋め込むことにより製造できる。また、フェライト磁石およびネオジウム磁石として、それぞれ、またはいずれか一方を樹脂磁石とすることもできる。樹脂磁石の場合、極境界とその近傍に切り欠きを設けた樹脂フェライト磁石を製造した後、切り欠きに樹脂ネオジウム磁石が埋め込まれる。

このように、極境界をネオジウム磁石からなる磁力調整磁石４で形成することにより、磁極部分にフェライト磁石を用いても、磁石１は低温減磁が抑制される。また、ネオジウム磁石はフェライト磁石に比べて低温減磁が生じにくい。そのため、磁石全体をネオジウム磁石のみで形成することにより低温減磁を抑制することができる。しかし、ネオジウム磁石はフェライト磁石に比べて高価である。そのため、磁石を安価に製造できない。本発明の磁石１は、少なくとも磁極部分がフェライト磁石で形成され、極境界領域にネオジウム磁石からなる磁力調整磁石４が形成されることにより、安価な構成で低温減磁が抑制される。

さらに、図２に示すように、磁石１０は、磁石１の側面５上全面にネオジウム磁石からなる磁力調整磁石７が形成されても良い。磁石１０の磁極は磁石１と同様に、磁石１０の側面である磁力調整磁石７の表面上に、Ｓ極２とＮ極３とが交互に等間隔に配列される。磁力調整磁石７の厚みは、例えばＳ極２とＮ極３との間隔の長さの５％〜３０％とすることが好ましい。また、磁力調整磁石７は磁力調整磁石４と全く同一の材質でも良く、一体形成されていても良く、異なる組成，磁力を有していても良い。

このように、側面５に磁力調整磁石７をさらに備えることにより、磁石１０はより低温減磁を抑制することができる。
上述のように、磁石１，磁石１０において、磁力調整磁石４は様々な形状にすることができる。以下、図３〜図７を用いて磁力調整磁石４の構成例を示す。

図３〜図７は本発明の磁石における磁力調整磁石の構成を例示する要部拡大図である。
磁力調整磁石４は、底面円６（図１参照）上の形状として、図３に示すように、底面円６（図１参照）の中心に向かう程幅が細くなる曲線状の外形を持つ形状や、図４に示すように、底面円６（図１参照）の中心に向かう程幅が細くなる直線状の外形を持つ形状や、図５に示すように、一定の幅で深さ方向に形成される形状とすることができ、さらに、これらを部分的に組み合わせた形状とすることもできる。また、磁力調整磁石４は断面形状として、図６に示すように、底面円６（図１参照）側よりその中間部の深さが深い形状や、図７に示すように、底面円６（図１参照）側よりその中間部の深さが浅い形状とすることができる。また、一方の底面円６（図１参照）側から他方の底面円６（図１参照）側に向かって徐々に深さが浅くなるように形成しても良い。そして、図１，図３〜図５に示す平面形状と図１，図６，図７に示す断面形状等を任意に組み合わせることもできる。

図８は本発明のマグネットロータの構成を説明する図である。
ブラシレスモータに用いるマグネットロータ８の磁石として、上述の磁石１，磁石１０を用いることができる。例えば、図８に示すように、マグネットロータ８は、磁石１と出力軸９とから構成される。出力軸９は、底面円６の中心を通る磁石１の中心軸と、中心軸が一致するように磁石１にはめ込まれる。これにより、磁石１の回転に応じて出力軸９が回転する。ここでは、磁石１を用いた場合を例に説明したが、磁石１０を用いることもできる。

図９はブラシレスモータの構成を示す図であり、本発明のマグネットロータが組み込まれた構成を例示している。
図９に示すように、本発明のマグネットロータ８が組み込まれたブラシレスモータ１１は、電流を流す向きを変更可能な複数のコイル１２を備えるステータ１３と、複数のコイル１２に囲まれるようにステータ１３に設置されるマグネットロータ８とから構成される。ブラシレスモータ１１は、コイル１２に流れる電流を周期的に反転させることにより、コイルに発生する磁界と磁石１の磁界との吸引／反発によりマグネットロータ８を回転させ、出力軸９を回転させる。

このように、ブラシレスモータ１１に本発明の磁石１，磁石１０を用いることにより、ブラシレスモータ１１を自動車等の低温で動作する機器，装置で用いる場合であっても、低温減磁が抑制され、動作精度を向上させることができる。

以下、図１０〜図１６を用いて、本発明の磁石における低温減磁が抑制されるシミュレーション結果および実験結果を示す。
図１０〜図１４は本発明の磁石における低温減磁が抑制されるシミュレーション結果を示す図であり左側に示す構成の磁石におけるシミュレーション結果を右側に示している。図１５は従来のフェライト磁石における低温減磁の実験結果を示す図、図１６は本発明の磁石における低温減磁が抑制される実験結果を示す図である。

図１０〜図１４は、底面円の直径が２９ｍｍ、厚みが１１ｍｍの円筒形であり、磁極での磁力が０．３Ｔである磁石にコイルに１０Ａの電流を流した場合における−４０℃での磁場解析を行ったシミュレーション結果の例である。

図１０は従来のフェライト磁石のみを用いた磁石における磁場解析結果であり、磁極１５間の中点近傍である境界領域に磁力が低下する低温減磁１４が認められた。
図１１に示すように、フェライト磁石の側面上に厚さ１．０ｍｍのネオジウム磁石からなる磁力調整磁石７を形成すると、図１０に比べて抑制されているが、側面の内側領域の低温減磁１４が残留した。

図１２に示すように、磁極をフェライト磁石で形成した磁石の極境界を中心に幅２．０ｍｍ、側面から深さ方向に５．０ｍｍにわたって磁力調整磁石４を形成すると、図１０に比べて抑制されているが、磁力調整磁石４が形成された領域に隣接する側面付近に低温減磁１４が残留した。

図１３に示すように、磁極をフェライト磁石で形成した磁石の極境界を中心に幅２．０ｍｍ、側面から深さ方向に５．０ｍｍにわたって磁力調整磁石４を形成し、側面上に厚さ０．５ｍｍのネオジウム磁石からなる磁力調整磁石７を形成すると、図１０に比べて抑制されているが、磁力調整磁石４を形成した領域の近傍に低温減磁１４が残留した。

図１４に示すように、磁極をフェライト磁石で形成した磁石の極境界を中心に幅３．０ｍｍ、側面から深さ方向に６．０ｍｍにわたって磁力調整磁石４を形成し、側面上に厚さ１．０ｍｍのネオジウム磁石からなる磁力調整磁石７を形成すると、低温減磁１４が発現せず、良好な結果が得られた。

シミュレーションの結果、上記の条件では、磁極をフェライト磁石で形成した磁石の極境界を中心に幅２．５ｍｍ〜３．５ｍｍ、側面から深さ方向に５．５ｍｍ〜６．５ｍｍにわたって磁力調整磁石４を形成し、側面上に厚さ０．７〜１．２ｍｍのネオジウム磁石からなる磁力調整磁石７を形成することにより、低温減磁１４が抑制されることが分かった。

図１５，図１６は、底面円の直径がφ３０ｍｍ、厚みが１１ｍｍの円筒形であり、磁極での磁力が０．３Ｔである磁石にコイルに１０Ａの電流を流した場合における、室温と−４０℃との磁石の側面における磁束密度波形を比較した実験結果の例である。図１５は従来の磁石をフェライト磁石のみで形成した実験結果であり、図１６は本発明の磁極をフェライト磁石で形成した磁石の極境界を中心に幅３．０ｍｍ、側面から深さ方向に６．０ｍｍにわたって磁力調整磁石４を形成し、側面上に厚さ１．０ｍｍのネオジウム磁石からなる磁力調整磁石７を形成した場合の実験結果である。

図１５に示すように、室温では低温減磁が発生しない従来のフェライト磁石であっても、−４０℃の環境下では、磁極の切り替わる領域において磁束密度が０ｍＴ近傍の領域が広がる低温減磁領域１６が確認された。この磁石をモータに用いた場合、このような低温減磁によりコギングが発生し、モータの回転ムラが生じる。

これに対して、図１６に示すように、本発明の磁石では、室温および−４０℃の環境下での磁束密度波形にほとんど変化が見られず、低温減磁は確認されなかった。そのため、この磁石をモータに用いても回転ムラが発生しない。

これらの実験により、上記の条件では、磁極をフェライト磁石で形成した磁石の極境界を中心に幅２．５ｍｍ〜３．５ｍｍ、側面から深さ方向に５．５ｍｍ〜６．５ｍｍにわたって磁力調整磁石４を形成し、側面上に厚さ０．７〜１．２ｍｍのネオジウム磁石からなる磁力調整磁石７を形成することにより、低温減磁１４が抑制されることが確認された。

１磁石
２Ｓ極
３Ｎ極
４磁力調整磁石
５側面
６底面円
７磁力調整磁石
８マグネットロータ
９出力軸
１０磁石
１１ブラシレスモータ
１２コイル
１３ステータ
１４低温減磁
１５磁極
１６低温減磁領域
１７マグネットロータ
１８磁石
１９出力軸

Claims

円筒形の磁石であって、
円筒の側面に異なる極性が交互に配列される複数の磁極と、
前記磁極の境界部分を含む領域に形成されてネオジウム磁石で構成される第１の磁力調整磁石と
を有し、少なくとも前記磁極がフェライト磁石で構成され、
第１の磁力調整磁石は、幅が前記磁極間の距離の１０％以上５０％以下であり、深さが前記磁極間の距離の３０％以上７０％以下であることを特徴とする磁石。
前記側面上の全周にさらにネオジウム磁石からなる第２の磁力調整磁石が設けられることを特徴とする請求項１記載の磁石。
前記ネオジウム磁石および前記フェライト磁石は樹脂磁石であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の磁石。
前記磁極の配列が６極であることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の磁石。
請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の磁石と、
前記磁石の底面円の中心で前記磁石を貫通する出力軸と
を有することを特徴とするマグネットロータ。